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UESC
Universidade Estadual de Santa Cruz Programa Regional de Pós-graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente
Mestrado em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ Programa Regional de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio
Ambiente – PRODEMA Mestrado em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente
REDUÇÃO DOS IMPACTOS AMBIENTAIS NO CICLO DE VIDA DO BIODIESEL DE MICROALGAS: UMA PROPOSTA DE
INTEGRAÇÃO COM UMA DESTILARIA DE ÁLCOOL
ILHÉUS – BA
2013
ii
Henrique Leonardo Maranduba
REDUÇÃO DOS IMPACTOS AMBIENTAIS NO CICLO DE VIDA DO BIODIESEL DE MICROALGAS: UMA PROPOSTA DE
INTEGRAÇÃO COM UMA DESTILARIA DE ÁLCOOL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente da Universidade Estadual de Santa Cruz, para a obtenção do título de Mestre em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente. Área de concentração: Uso e conservação de recursos naturais e do patrimônio cultural. Orientador: Prof. Dr. José Adolfo de Almeida Neto
ILHÉUS – BA 2013
iii
M311 Maranduba, Henrique Leonardo. Redução dos impactos ambientais no ciclo de vida do biodiesel de microalgas: uma proposta de Integração com uma destilaria de álcool / Henrique Leonardo Maranduba. – Ilhéus, BA: UESC, 2013. xiii, 90f. : Il.; anexos. Orientador: José Adolfo de Almeida Neto. Dissertação (Mestrado) – Universidade Esta- dual de Santa Cruz. Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente. Inclui bibliografia.
1. Impacto ambiental. 2. Ciclo de vida do pro- duto – Aspectos ambientais. 3. Recursos energé- ticos. 4. Biocombustíveis. 5. Microalga. I. Título. CDD 363.7
iv
FOLHA DE APROVAÇÃO (COLEGIADO)
v
À minha querida mãe,
Ao meu querido irmão,
À minha querida companheira,
Aos familiares,
Aos amigos,
À todos que torceram por mim,
Dedico.
vi
AGRADECIMENTOS
“Obrigado!”.
Antes de tudo, e de alguém, gostaria de dizer esta palavra. Não para alguém ou algo, mas para todos e tudo. O Universo conspirou, e vem conspirando para que tudo venha dando certo. Todos os obstáculos foram colocados no momento certo. Todas as conquistas (e derrotas) vieram quando tinham que vir, nem um dia a mais nem a menos. Essa conspiração universal talvez seja a mais bela e clara prova de que há algo maior, incompreensível que “ajeita” tudo. As coincidências... Os acasos... Tudo acontece inexplicavelmente no momento certo, para que mais adiante, no momento certo, algo explicável aconteça. A coincidência de nascer aonde nascí, de ter a família que tive, conhecer as pessoas que conheci... Obrigado à Deus pelas conspirações que me trouxeram até aqui. Obrigado à minha mãe Conceição e meu irmão Marco, não esquecendo meu pai Antônio (in memorian). Todos contribuíram de todas as formas para eu estar aqui, sendo quem sou. Obrigado a minha querida e amada companheira Viviane, que o acaso fez o grande favor de colocar no meu caminho. Estes quase três anos de convívio foram ótimos e, com certeza modificaram muito minha vida, para melhor. Obrigado à todos da minha família, avós, tios, tias, primos, primas... Aos amigos que fui encontrando e, desencontrando pelo caminho... Obrigado! Obrigado ao CNPQ pelo apoio financeiro nestes dois últimos anos. Obrigado a Profa. Iracema pela confiança e presteza nestes anos de trabalho. Obrigado à UESC e, a todos que conheci nela. Todos os professores que compartilharam comigo um pouco da enorme sabedoria. Ao PRODEMA, especialmente à Maria pela enorme ajuda, sempre. Obrigado aos colegas da turma 2011. Foi uma turma inesquecível que, o acaso fez o favor de reunir. Obrigado à todos os pesquisadores do grupo BIOMA professores e alunos, em especial à aqueles de convívio quase diário, que passaram ou que ainda passam pelas mesmas angústias, trabalhos, relatórios.... Obrigado à Ittana, Luziléa, Sabine, Carina, Rita, Elivaldo, João... Muitas histórias entre todos dessa eterna irmandade de amigos reunidos, ao acaso. Pelos momentos, obrigado! Obrigado especial ao Prof. José Adolfo. Posso dizer sem sombras de dúvidas, que este é um dos grandes responsáveis por tudo isso. E mais uma grande prova de que o acaso foi maravilhoso comigo, colocando nesta minha jornada pessoas incríveis! Depois de todos estes belos anos de convívio, só o que posso dizer é “Obrigado Zé, por tudo!”. A todos que não foram citados aqui, mas que guardo comigo... Muito obrigado!
vii
FAÇA ASSIM MESMO
“Muitas vezes as pessoas são egocêntricas, ilógicas e insensatas.
Perdoe-as assim mesmo.
Se você é gentil, as pessoas podem acusá-lo de egoísta, interesseiro.
Seja gentil assim mesmo.
Se você é um vencedor, terá alguns falsos amigos
e alguns inimigos verdadeiros.
Vença assim mesmo.
Se você é honesto e franco, as pessoas podem enganá-lo.
Seja honesto assim mesmo.
O que você levou anos para construir,
alguém pode destruir de uma hora para outra.
Construa assim mesmo.
Se você tem paz e é feliz,
as pessoas podem sentir inveja.
Seja Feliz assim mesmo.
Dê ao mundo o melhor de você, mas isso pode nunca ser o bastante.
Dê o melhor de você assim mesmo.
Veja que, no final das contas, é entre você e DEUS.
Nunca foi entre você e as outras pessoas.”
(Madre Teresa de Calcutá)
viii
RESUMO
Os biocombustíveis seguem despontando como os possíveis substitutos dos
combustíveis fósseis. No entanto, estes combustíveis derivados da biomassa podem
apresentar alguns limitantes, como a competição por terras agricultáveis, mudança no
uso da terra, bem como contribuir com o aumento da demanda de energia e
nutrientes. Estes limitantes contribuem para um balanço energético desfavorável, bem
como, para a emissão de Gases do Efeito Estufa (GEE), como o dióxido de carbono
(CO2) armazenado na biomassa aérea e no solo e o óxido nitroso (N2O) dos
fertilizantes nitrogenados, o que pode inviabilizar o potencial econômico e ambiental
dos biocombustíveis, como alternativa aos combustíveis fósseis. Nesse sentido, a
biomassa de microalgas surge como uma interessante alternativa energética, devido à
sua capacidade de sequestro de CO2, elevada produtividade por unidade de tempo e
área e, ausência na competição por terras agricultáveis. Contudo, a viabilidade
ambiental e econômica de sua utilização para a produção de biodiesel pode ser
melhorada, dentre outros fatores, pelo aproveitamento de subprodutos e resíduos
provenientes de outras atividades industriais e, pela máxima eficiência no
aproveitamento energético da biomassa residual gerada na extração do óleo. Neste
estudo, os princípios da Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) foram utilizados para
analisar a Pegada de Carbono (emissões de GEE) e o Balanço Energético de cinco
cenários de produção de biodiesel de microalgas (Chlorella vulgaris), baseado no
modelo de sistema via “rota seca” (cultivo, colheita/floculação, secagem, extração do
óleo e transesterificação): cenário C0, produção de biodiesel de forma convencional
(autônoma), descartando a biomassa residual (torta) resultante do processo de
extração do óleo; C1, as mesmas condições de C0, reaproveitando energeticamente a
biomassa residual para produzir biochar, gás e óleo de pirólise (via pirólise); C2, as
mesmas condições de C0, reaproveitando a biomassa residual para produzir biogás
(com perdas de 3%) e um fertilizante líquido (via biodigestão anaeróbica) que será
utilizado como fonte de nitrogênio, fósforo e potássio (NPK) no processo de cultivo das
microalgas; C3, produção integrada de biodiesel com uma destilaria de álcool de cana-
de-açúcar (utilizando como insumos os coprodutos da destilaria: CO2, vinhaça e
eletricidade), utilizando o processo de pirólise para reaproveitar energeticamente a
biomassa residual; C4, produção integrada de biodiesel com uma destilaria de álcool
de cana-de-açúcar, utilizando o processo de biodigestão anaeróbica para reaproveitar
a biomassa residual. Os resultados confirmam o potencial sinérgico entre a produção
de biodiesel de microalgas e a destilaria de álcool, indicando melhorias promissoras
nos indicadores energéticos e ambientais.
Os cenários C3 e C4, quando comparados ao cenário C0, apresentaram reduções nas
emissões de GEE de aproximadamente 93% e 98%, respectivamente; e melhorias no
balanço energético de 68% e 46% na energia líquida e de 198% e 176%,
respectivamente, na razão de substituição de energia fóssil (FER).
Palavras-Chave: Avaliação do Ciclo de Vida, Biorefinarias Integradas, Microalgas,
Balanço Energético, Pegada de Carbono.
ix
ABSTRACT
Biofuels are emerging as possible substitutes for fossil fuels. However, these fuels
derived from biomass may have some constraining factors, such as the competition for
croplands areas, expansion of crop lands and land use change, also the increased use
for energy and nutrients. Some of these factors can contribute to an unfavorable
energy balance as to the emissions of gases such as carbon dioxide (CO2) stored in
biomass and soil, and nitrous oxide (N2O) emissions from application of
nitrogenous fertilizers, which make unfeasible the economic and environmental
potential of replacing fossil fuels on a large scale. Accordingly, microalgae biomass
appears as an interesting energetic alternative because of its high capacity for CO2
sequestration, yield per unit area and time, in addition to not competing for cropland
areas. However, the economic and environmental viability as feedstock for biofuels can
be optimized, among other factors, by the use of waste inputs and byproducts coming
from other industrial processes, and by the use of biomass energy with maximum
efficiency, through the energetic use of biomass cake generated with the oil. In this
study, the principles of Life Cycle Assessment (LCA) was used as a tool to analyze the
Carbon Footprint (GHG emissions) and the Energy Balance of five microalgae
(Chlorella vulgaris) scenarios for biodiesel production, based on the “dry route” model
(cultivation, harvesting/flocculation, drying, oil extraction e transesterification): scenario
C0 , conventional (autonomous) biodiesel production discarding the residual biomass
(cake) from oil extraction process; C1, the same conditions of C0, using the residual
biomass to produce biochar, gas and pyrolysis oil (by pyrolysis process); C2, the same
conditions of C0, using the residual biomass to produce biogas (with a loss of 3%) and
a liquid fertilizer (by anaerobic digestion) that will be used as source of nitrogen,
potassium and phosphorus (NPK) in the microalgae cultivation; C3, integrated
biodiesel production with a sugarcane ethanol distillery (using as inputs the byproducts:
CO2, stillage, and electricity), using the pyrolysis process to use the residual biomass;
and C4, integrated biodiesel production with a sugarcane ethanol distillery, using
anaerobic digestion process to use de residual biomass. The results confirm the
synergistic potential of integrated microalgae biodiesel production with a sugarcane
ethanol distillery, showing significant improvement in the energy and environmental
indicators. The scenarios C3 and C4, when compared to the scenario C0, showed
reductions about 93% and 98%, respectively, in the GHG emissions; regarding the
energy balance, the improvements were approximately 68% and 46% for the net
energy, and 198% and 176% for the fossil energy replacement ratio (FER).
Keywords: Life Cycle Assessment, Integrated Biorefineries, Microalgae, Energy
Balance, Carbon Footprint.
x
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – DISTRIBUIÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIODIESEL NO BRASIL (FONTE: ANP, 2012.) .................. 17
FIGURA 2 – (A) MACROALGA (MACROCYSTIS PYRIFERA); (B) MICROALGA (CHLORELLA VULGARIS). .... 21
FIGURA 3 – ROTAS DE CONVERSÃO DA BIOMASSA DE MICROALGAS EM BIOPRODUTOS (FONTE:
ADAPTADO DE RÖSCH, S KARKA E PATYK, 2009). ................................................................... 23
FIGURA 4 - ROTAS DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS A PARTIR DE MICROALGAS (FONTE: ADAPTADO DE DERNER ET AL.
2006; RÖSCH ET AL., 2009; XU ET AL., 2011). ........................................................................................ 25
FIGURA 5 – (A) ESQUEMA DE UMA LAGOA ABERTA TIPO “RACEWAY”. (B) VISÃO AÉREA DE UMA
“RACEWAY”. ...................................................................................................................................... 28
FIGURA 6 – (A) ESQUEMA DE UM FOTOBIORREATOR FECHADO DO TIPO TUBULAR. (B) MAQUETE DE UM
FOTOBIORREATOR TUBULAR. ............................................................................................................ 28
FIGURA 7 - FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO DAS ETAPAS EMPREGADAS NA CONDUÇÃO DA ACV (FONTE:
ISO 14040, 2006). .......................................................................................................................... 32
FIGURA 8 – FLUXOGRAMA DO CENÁRIO C0 CONTENDO OS PROCESSOS UNITÁRIOS E OS FLUXOS DE
MATERIAIS E ENERGIA. ...................................................................................................................... 38
FIGURA 9 – FLUXOGRAMA DO CENÁRIO C1 CONTENDO OS PROCESSOS UNITÁRIOS E OS FLUXOS DE
MATERIAIS E ENERGIA. ...................................................................................................................... 39
FIGURA 10 - FLUXOGRAMA DO CENÁRIO C2, INDICANDO OS PROCESSOS UNITÁRIOS E OS FLUXOS DE MATERIAIS E ENERGIA. . 40
FIGURA 11 - FLUXOGRAMA DO CENÁRIO C3 INCLUINDO OS PROCESSOS UNITÁRIOS E OS FLUXOS DE
MATERIAIS E ENERGIA COM AS ENTRADAS PROVENIENTES DA DESTILARIA DE ÁLCOOL. ................. 41
FIGURA ....................................................................................................................................................... 42
FIGURA 12 - FLUXOGRAMA DO CENÁRIO C4 INCLUINDO OS PROCESSOS UNITÁRIOS E OS FLUXOS DE
MATERIAIS E ENERGIA COM AS ENTRADAS PROVENIENTES DA DESTILARIA DE ÁLCOOL. ................. 42
FIGURA 13 - COMPARATIVO DA DEMANDA ACUMULADA DE ENERGIA (CED), EM GJ/T DE BIODIESEL,
DOS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4. ............................................................................................. 49
FIGURA 14 - COMPARATIVO DA DEMANDA ACUMULADA DE ENERGIA (CED) RELATIVA, POR FONTE
PRIMÁRIA DE ENERGIA, DOS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4. ....................................................... 52
FIGURA 15 - COMPARATIVO ENTRE A RELAÇÃO DA DEMANDA DE ENERGIA (CED) E A ENERGIA
PRODUZIDA (PCISISTEMA), EM GJ, DOS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4. ........................................ 53
FIGURA 16 - COMPARAÇÃO DA FER DOS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4. ........................................... 55
FIGURA 18 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES DE GEE (T DE CO2-EQ), POR TONELADA DE BIODIESEL
PRODUZIDO, DOS CENÁRIOS C0, C1 E C2 (IPCC 100A). ............................................................... 61
FIGURA 19 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES DE GEE (T DE CO2-EQ), POR GJ PRODUZIDO, DOS
CENÁRIOS C0, C1 E C2 (IPCC 100A). ............................................................................................ 62
FIGURA 20 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES DE GEE POR GJ PRODUZIDO, PARA OS CENÁRIOS C1, C2,
C3 E C4 (IPCC 100A). .................................................................................................................... 63
FIGURA 21 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES RELATIVAS DE GEE POR PROCESSO UNITÁRIO,
CONSIDERANDO A ALOCAÇÃO ENERGÉTICA (T CO2-EQ / GJ), PARA OS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3
E C4. ................................................................................................................................................. 65
FIGURA 22 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES RELATIVAS DE GEE POR PRODUTO, CONSIDERANDO A
ALOCAÇÃO MÁSSICA (KG CO2-EQ / KG DE BIODIESEL), PARA OS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4
(IPCC 100A). ................................................................................................................................... 68
FIGURA 23 - COMPARAÇÃO DAS EMISSÕES RELATIVAS DE GEE POR PRODUTO, CONSIDERANDO A
ALOCAÇÃO ENERGÉTICA (KG CO2-EQ / MJ), PARA OS CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4 (IPCC
100A). ............................................................................................................................................... 69
xi
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - COMPARAÇÃO DE PRODUTIVIDADE DE ALGUMAS DAS PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS DO
BIODIESEL ......................................................................................................................................... 16
TABELA 2 - PRODUTOS PRODUZIDOS A PARTIR DE COMPOSTOS DE MICROALGAS. .................................. 24
TABELA 3 - TEOR DE ÓLEO (LIPÍDIOS) DE ALGUMAS DAS PRINCIPAIS MICROALGAS.................................. 25
TABELA 4 - ESCALAS ASSUMIDAS PARA A ANÁLISE DOS IMPACTOS DOS SISTEMAS A SEREM INTEGRADOS:
.......................................................................................................................................................... 37
TABELA 5 – INVENTÁRIO COM AS ENTRADAS (INPUTS) PARA A PRODUÇÃO DE 1 TONELADA DE BIODIESEL
DE MICROALGAS. ............................................................................................................................... 43 TABELA 6 - INVENTÁRIO COM AS SAÍDAS (OUTPUTS) RELATIVAS À PRODUÇÃO DE 1 TONELADA DE
BIODIESEL DE MICROALGAS. ............................................................................................................. 44
TABELA 7 - COMPARAÇÃO DA DEMANDA ACUMULADA DE ENERGIA (CED), EM GJ POR TONELADA DE
BIODIESEL, DO CO2, ELETRICIDADE E NPK PROVENIENTES DE FONTES CONVENCIONAIS E COMO
COPRODUTOS DA DESTILARIA DE ÁLCOOL. ....................................................................................... 51
TABELA 8 - COMPARAÇÃO DAS ENERGIAS CED, PCISISTEMA E ENERGIA LÍQUIDA (PCISISTEMA - CED) DOS
CENÁRIOS C0, C1, C2, C3 E C4, PARA A PRODUÇÃO DE 1 TONELADA DE BIODIESEL. .................. 54
TABELA 9 - COMPARAÇÃO DAS RAZÕES DE ENERGIA FÓSSIL UTILIZADA (FER) DOS CENÁRIOS C0, C1,
C2, C3 E C4, PARA A PRODUÇÃO DE UMA 1 DE BIODIESEL. ............................................................ 56
TABELA 10 - PRINCIPAIS GEE COM SUAS RESPECTIVAS FONTES ANTRÓPICAS, FATORES DE EMISSÃO
(CO2-EQ) E CONTRIBUIÇÃO RELATIVA PARA O AQUECIMENTO GLOBAL. ......................................... 59
TABELA 11 – COMPARAÇÃO DA PEGADA DE CARBONO, EM TONELADA DE CO2-EQ POR TONELADA DE
BIODIESEL, DO CO2, ELETRICIDADE E NPK PROVENIENTES DE FONTES CONVENCIONAIS E COMO
COPRODUTOS DA DESTILARIA DE ÁLCOOL. ....................................................................................... 66
xii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
µm micrômetro (10-6 x metro)
a-1 por ano (1 / ano)
ACV Avaliação do Ciclo de Vida
AICV Avaliação de Impacto do Ciclo de Vida
AR4 Fourth Assessment Report
ARA Ácido Araquidônico
CED Cumulative Energy Demand
CH4 Metano
CO2 Dióxido de Carbono
CO2-eq Dióxido de Carbono equivalente
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio
DHA Ácido Docosahexaenóico
DP Desvio Padrão
EPA Ácido eicosapentaenoico
FER Fossil Energy Replacement Ratio
GEE Gases do Efeito Estufa
GJ giga-joule
GWP Global Warming Potential
ha hectare
ICV Análise Inventário do Ciclo de Vida
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
xiii
ISO International Organization for Standardization
L litro
mg miligrama (10-3 x gramas)
LCA Life Cycle Assessment
MHa mega Hectare (106 x Hectare)
MJ mega Joule (106 x Joule)
MWH megawatt-hora
NPK Nitrogênio, Fósforo e Potássio
OGR Óleos e Gorduras Residuais
PAG Potencial de Aquecimento Global
PCI Poder Calorífico Inferior
pH Potencial Hidrogeniônico
PNPB Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel
SAR Second Assessment Report
t tonelada
xiv
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO .......................................................................... 15
1.1. Contextualização .............................................................................................. 15
1.2. Microalgas: A Matéria-Prima do Futuro .......................................................... 21
1.2.1. Cultivo ....................................................................................................... 27
1.2.2. Separação e processamento da biomassa ............................................... 29
1.2.3. Conversão ................................................................................................. 30
1.3. Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) ..................................................................... 31
CAPÍTULO 2: METODOLOGIA ....................................................................... 36
2.1. Materiais e Métodos ........................................................................................ 36
2.2. Descrição do processo ..................................................................................... 36
2.3. Análise de Incertezas ....................................................................................... 44
CAPÍTULO 3: BALANÇO ENERGÉTICO ........................................................ 47
3.1. Balanço Energético .......................................................................................... 47
3.1.1. Demanda Acumulada de Energia (CED) ................................................... 49
3.1.2. Energia líquida .......................................................................................... 53
3.1.3. Relação de Substituição de Energia Fóssil (FER) ...................................... 55
3.1.4. Balanço Energético: Microalgas X concorrentes ...................................... 56
CAPÍTULO 4: PEGADA DE CARBONO ......................................................... 58
4.1. Mudanças Climáticas e Pegada de Carbono .................................................... 58
4.1.1. Aproveitamento da biomassa residual (torta) ......................................... 61
4.1.2. Integração com a destilaria de álcool de cana-de-açúcar ........................ 63
4.1.3. Fases de produção do biodiesel de microalgas ........................................ 64
4.1.4. Biodiesel de microalgas e seus coprodutos.............................................. 67
4.1.5. Pegada de carbono: Microalgas X concorrentes ...................................... 70
CAPÍTULO 5: CONSIDERAÇÕES FINAIS....................................................... 72
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 74
ANEXOS .......................................................................................................... 80
15
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO
1.1. Contextualização
No atual cenário energético mundial, o álcool e o biodiesel são apontados
como os substitutos parciais dos produtos petrolíferos no suprimento energético
do setor de transportes (KIM e DALE, 2005). O Brasil vem se destacando nos
últimos anos como o segundo no ranking mundial de produção de álcool, com
uma produção que ultrapassa os 27,5 bilhões de
L.a-1, enquanto a capacidade instalada de produção do biodiesel chega a 5,5
milhões L.a-1 (UNICA, 2011; ANP, 2011). Este crescimento da produção de
biocombustíveis deve-se à alta disponibilidade de terras agrícolas e à
diversidade de espécies de plantas e sementes oleaginosas, adaptadas às
diferentes condições edafoclimáticas do país. No entanto, a expansão da
produção de tais culturas pode resultar em mudanças no uso da terra, que por
sua vez, podem favorecer a liberação de CO2 proveniente de carbono orgânico
armazenado na biomassa aérea e no solo, bem como, gases nitrogenados
provenientes de reações químicas de adubos, tendendo a intensificar as
emissões de Gases do Efeito Estufa (GEE), contrapondo-se assim, aos
potenciais benefícios dos biocombustíveis na mitigação das emissões de GEE
(KIM e DALE, 2005).
Nesse sentido, a biomassa de microalgas surge como uma potencial
matéria-prima para a produção de biocombustíveis, pois quando comparada aos
cultivos terrestres, apresenta uma maior produtividade por área (Tabela 1) e
capacidade de sequestro de CO2, além de não competir por terras aráveis com
outras culturas, em especial as alimentícias (METTING, 1996; SPOLAORE et al.,
2006; CHRISTI, 2007; LARDON et al., 2009).
16
Tabela 1 - Comparação de produtividade de algumas das principais matérias-primas do
biodiesel
Matéria-Prima Rendimento em óleo
(L.ha-1) Área necessária*
(Mha.a-1)
Terras agrícolas Brasileiras**
(%)
Soja 446 a 673 192 Cártamo 779 b 385 110 Girassol 952 b 315 90 Canola 1190 a 252 72
Mamona 1413 b 212 61 Pinhão-Manso 1892 a 158 45 Dendê (palma) 5950 a,b 50 14 Microalgas*** 97850 a 3,5 1,05
* Para atender o consumo mundial de 300 bilhões de litros.a-1
de diesel. ** Considerando apenas as terras agricultáveis brasileiras (350 milhões de hectares). *** Considerando uma média de 50% de óleo na biomassa (peso seco). a
Christi, 2007. b Demirbas et al., 2010.
No caso do Brasil, a biomassa de microalgas como alternativa de matéria-
prima para a produção de biodiesel fortalece uma das Diretrizes do Programa
Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB) que é “Produzir o biodiesel a
partir de diferentes fontes oleaginosas fortalecendo as potencialidades regionais
para a produção de matéria prima”. O número de pesquisas ao redor do país
vem aumentando nos últimos anos, entre os mais recentes destacam-se dois
projetos. O primeiro é uma parceria entre a Petrobras e a Universidade Federal
do Rio Grande do Norte (UFRN), que inauguraram no ano de 2012, na cidade de
Extremoz (RN), uma planta piloto para o cultivo de microalgas para a produção
de biodiesel. E o segundo é o projeto da empresa austríaca See Algae
Technology (SAT), que através de um investimento inicial de 8 milhões de euros
construirá uma usina adjacente à usina de Vitória de Santo Antão (Recife-PE),
que deverá entrar em operação no quarto trimestre de 2013 já com uma
capacidade de produção de 1,2 milhões de litros de biodiesel por ano. Estes
números tornam este projeto o primeiro projeto no mundo que visa a produção
de biodiesel de microalgas em escala comercial (BIANCHINI, 2012).
O Brasil concentra hoje mais de 97% de sua produção de biodiesel em
três matérias-primas (Figura 1), propor novas alternativas para a geração de
biocombustíveis, vai de encontro à uma política de diversificação da matriz
energética, sintonizada com os conceitos de desenvolvimento sustentável.
17
Figura 1 – Distribuição da produção de biodiesel no Brasil (Fonte: ANP, 2012.)
Por outro lado, o uso intensivo de energia e as emissões de GEE
correlacionadas ao sistema de produção podem reduzir os impactos positivos
dos biocombustíveis derivados de microalgas (CHISTI, 2007; LARDON et al.,
2009; MATA et al., 2010; SINGH e OLSEN, 2010). Adicionalmente, os custos
energéticos e financeiros com o CO2 utilizado durante o cultivo podem
representar até 50% do custo total. Estas limitações podem afetar a viabilidade
do biodiesel de microalgas, desfavorecendo o balanço energético e elevando os
custos de produção a patamares muito superiores aos custos do diesel derivado
do petróleo. Tais considerações econômicas motivam a busca por fontes
alternativas de matérias-primas, com menor custo de produção e com
disponibilidade suficiente para atender a demanda (CHENG et al., 2009).
Vários entraves dificultam a viabilidade da produção de biodiesel,
reduzindo sua competitividade com o diesel mineral. A principal barreira para
garantir a competitividade econômica e ambiental do biodiesel frente ao seu
concorrente (diesel mineral), esta relacionada aos custos financeiros e
ambientais da matéria-prima, que pode chegar a ser responsável por 80% do
custo total de produção (DERMIBAS, 2009; TAVARES, 2009; KROHN et al.,
2011) e mais de 50% do consumo energético e das emissões de GEE do ciclo
de vida do biodiesel (CLARENS et al., 2010).
Diversos estudos ambientais, com base na Avaliação do Ciclo de Vida
(ACV), vêm sendo realizados desde o final da década de 1990 para avaliar
78,60%
15,35%
3,77% 2,28%
SOJA
SEBO BOVINO
ALGODÃO
OUTROS
18
impactos ambientais de alternativas tecnológicas para a produção de
biocombustíveis, com maior ênfase no biodiesel derivados de óleos e gorduras
vegetais e animais residuais ou “in natura” (KALTSCHMITT, REINHARDT e
STELZER, 1997; SHEEHAN et al., 1998; ALMEIDA NETO et al., 2004; KIM E
DALE, 2005).
Estes estudos convergem em alguns aspectos, e divergem em outros, na
análise das principais categorias de impactos ambientais, especialmente quando
se consideram as diferentes matérias-primas, tecnologias de produção,
processos de alocação de co-produtos e limites e pressuposições de cada um
dos estudos. Os autores coincidem quanto ao potencial de redução na emissão
de GEE. A maioria dos estudos, apesar da grande variabilidade dos resultados,
aponta para uma redução entre 40% e 85% da emissão de GEE para uso do
biodiesel em substituição ao uso diesel fóssil, enquanto alguns estudos recentes
relativizam esta redução, ou mesmo, indicam uma emissão maior de GEE para o
biodiesel, quando são consideradas as emissões diretas e indiretas da mudança
no uso da terra: as emissões de CO2 oriundas da degradação da biomassa
existente na área agrícola utilizada para a produção das oleaginosas e indiretas:
as emissões oriundas da mudança do uso da terra provocadas pelo
deslocamento de atividades agrícolas para produção de biodiesel de uma área
para outra área com vegetação natural (REINHARDT et al., 2008; KIM et al.,
2009; UNEP, 2009).
Estudos com base em ACV de diferentes produtos demonstram uma boa
correlação entre os impactos ambientais e o consumo de energia total e de
energia não-renovável, permitindo assim, inferir que produtos com menor
consumo de energia primária, especialmente, de energia fóssil não-renovável,
apresentam comparativamente menor impacto ambiental no seu ciclo de vida
que produtos com um maior consumo de energia (ALMEIDA NETO et al., 2003).
Nas condições atuais, a viabilidade ambiental e econômica do biodiesel de
microalgas está limitada, dentre outros fatores, ao reaproveitamento energético
da biomassa residual (torta), tendo em vista que o balanço energético do
biodiesel de microalgas tende a ser desfavorável, especialmente devido aos
gastos de energia na fase de cultivo da matéria-prima:
para cada 1 MJ de biodiesel de microalgas produzido, são necessários 1,66 MJ
de energia (AMARO et al., 2011). O reaproveitamento energético da biomassa
19
residual pode contribuir na melhoria desse balanço, reduzindo o uso de
fertilizantes, principalmente os nitrogenados e potássicos.
Com base nessas limitações, considerou-se a abordagem de
“Biorrefinarias Integradas”, utilizada pelo Departamento de Energia dos Estados
Unidos, em seu Programa de Biomassa, como uma alternativa para a
proposição de um conceito que conduza à viabilidade da produção de biodiesel
de microalgas em larga escala. Essa proposta objetiva o desenvolvimento de
uma indústria capaz de converter uma ampla gama de fontes de biomassa em
biocombustíveis, bioenergia e bioprodutos. A produção integrada de diversos
produtos tem como objetivo otimizar tanto o uso de insumos materiais e
energéticos, como reduzir os impactos ambientais e os custos unitários de
produção (USDE, 2010). A integração de processos e sistemas de produção
pode minimizar os impactos ambientais do ciclo de vida dos biocombustíveis
provenientes das microalgas e, simultaneamente, beneficiar outro sistema
produtivo, através de uma destinação ambientalmente adequada dos resíduos
dos processos (LOHREY e KOCHERGIN, 2012).
O Brasil, devido ao Programa Proálcool (1978), passou a ocupar um lugar
de destaque no setor sucroalcooleiro, tendo a partir do ano 2000 uma forte
evolução no aproveitamento integral de toda a cana, incluindo o bagaço, a palha
e os demais subprodutos (SZYMANSKI e BALBINOT, 2008).
Com essa crescente produção sucroalcooleira ocorreu, porém, um
aumento na produção de vinhaça, agravando o problema de sua destinação, já
que a vinhaça é o principal subproduto da indústria de álcool, não apenas pelo
seu volume, mas principalmente pelo seu elevado potencial poluidor. Apesar de
apresentar algumas variações em sua composição, em geral, a vinhaça é rica
em nutrientes minerais como cálcio, enxofre, nitrogênio, fósforo e potássio, além
de apresentar um elevado teor de matéria orgânica (DBO entre 20.000 e 35.000
mg/L), com pH variando entre 3,7 e 5. Devido a tais características, a vinhaça
vem sendo utilizada na fertirrigação das áreas de plantio de cana (SZYMANSKI
e BALBINOT, 2008). Entretanto, essa técnica necessita de cuidados e apresenta
limitações, pois uma vinhaça com DBO elevado pode contaminar lençóis
freáticos e mananciais superficiais, além de alterar as características físico-
químicas do solo. Existem algumas técnicas que possibilitam a redução dessa
carga orgânica, viabilizando, assim, o uso da vinhaça como fonte de nutrientes.
20
As duas tecnologias mais utilizadas são as lagoas aeróbicas de estabilização e a
biodigestão anaeróbica. A primeira técnica apresenta alguns aspectos
desfavoráveis, como por exemplo, o forte odor e o consumo de energia na
aeração (ANTUNES, 2006; SPERLING, 2007). Enquanto a biodigestão
anaeróbica não apresenta odores (sistemas fechados hermeticamente) e, ainda,
possibilita o aproveitamento energético, através da recuperação do metano
(SZYMANSKI e BALBINOT, 2008). No entanto, por apresentarem maior
complexidade na construção e manutenção, os biodigestores podem apresentar
custos de implantação maiores que os da lagoa de estabilização.
Tendo em vista as necessidades de insumos, tanto para o cultivo de
microalgas (biomassa) quanto para a extração do óleo e produção do biodiesel,
vários estudos têm proposto meios de integração com outros sistemas,
destacando-se as usinas de geração de energia (KADAM, 2001; XU et al., 2011)
e as estações de tratamento de esgotos residenciais (LI et al., 2011; PITTMAN
et al., 2011), visando contribuir com o suprimento da demanda por água, área,
CO2, nutrientes e energia no processo de produção de microalgas. Uma análise
sistêmica do sistema sucroalcooleiro, tanto para destilarias autônomas (álcool ou
açúcar) quanto para destilarias anexas (açúcar e álcool) indica uma potencial
integração sinérgica entre a produção sucroalcooleira e o cultivo de microalgas,
visando a produção de biocombustíveis (CHENG et al., 2009; KOCHERGIN et
al., 2010; LOHREY e KOCHERGIN, 2012), sinalizando uma redução de
impactos negativos para ambos os lados, favorecendo assim, a viabilidade
ambiental e econômica das microalgas como matéria-prima para a produção de
biodiesel em escala comercial.
Este trabalho analisou um sistema de produção de biodiesel de
microalgas (Chlorella vulgaris), cultivadas em lagoa aberta do tipo raceway, em
associação à uma destilaria de álcool de cana-de-açúcar, considerando duas
alternativas tecnológicas de aproveitamento energético da torta (biomassa
residual) resultante do processo de extração do óleo. Os aspectos considerados
para a avaliação do desempenho energético e ambiental do biodiesel de
microalgas associado à uma destilaria de álcool de cana-de-açúcar foram: a
Pegada de Carbono) e Balanço Energético (Energia Líquida e Relação de
Substituição de Energia Fóssil).
21
1.2. Microalgas: A Matéria-Prima do Futuro
O termo “microalgas”, bem como “macroalgas”, deriva de “algas”, e
taxonomicamente não tem valor. As algas são organismos fotossintéticos
presentes nos ambientes aquáticos (doce e salgado). Enquanto as macroalgas
são organismos multicelulares, com dimensões que podem variar entre poucos
milímetros até dezenas de metros (TAVARES, 2009). As microalgas são
organismos unicelulares com dimensões que variam entre 1 e 100 micrometros
(µm), sendo constituídas basicamente por três grupos de moléculas: as
proteínas, os carboidratos e os lipídeos (TAVARES, 2009). Essa enorme
diferença de magnitude pode ser observada na Figura 2, logo abaixo:
Figura 2 – (A) Macroalga (Macrocystis pyrifera); (B) Microalga (Chlorella vulgaris).
www.walpa.org
A
B
www.walpa.org
22
As microalgas destacam-se, com relação às macroalgas e plantas
terrestres, pela sua eficiência fotossintética, o que por sua vez proporciona maior
produtividade de biomassa; ausência de estruturas de revestimento que
necessitem de pré-tratamento ácido para serem quebradas, o que proporciona
aumento da eficiência de conversão em biocombustíveis e redução dos custos
com processos industriais; elevado número de espécies, além da possibilidade
da manipulação biosintética por meio de alterações na forma e condições de
cultivo, propiciando a produção e acumulação de compostos desejáveis para a
produção de biocombustíveis; e finalmente, a não competição por terras aráveis,
haja vista que o cultivo pode ser realizado em ambientes marinhos, costeiros e
desérticos, não interferindo na produção agrícola (FALKOWSKI e RAVEN, 1997;
HU et al., 2008; DISMUKES et al., 2008; LI et al., 2008; LYND et al., 2008; ZHU
et al., 2008; PATIL et al., 2008; PACKER, 2009; TAVARES, 2009).
Estima-se que o número de espécies de microalgas pode variar entre 200
e 800 mil (sendo aproximadamente 35 mil descritas). Essa enorme diversidade
também se reflete na composição bioquímica do organismo, o que significa dizer
que as microalgas podem ser fontes para uma quantidade enorme de
compostos (DERNER et al., 2006), dos quais muitos podem servir de matéria-
prima para a produção de diversos tipos de bioprodutos e bioenergia (Figura 3),
com destaque para os biocombustíveis (RÖSCH et al., 2009):
Biodiesel e bioquerosene (lipídios);
Álcool (carboidratos);
Gasolina (hidrocarbonetos e isoprenóides);
Hidrogênio (síntese direta da biomassa);
Combustíveis líquidos e gás de síntese (gaseificação da biomassa);
Hidrogênio (gaseificação hidrotérmica da biomassa);
Biogás (biodigestão anaeróbica da biomassa);
Eletricidade (cogeração da biomassa);
23
Figura 3 – Rotas de conversão da biomassa de microalgas em bioprodutos
(Fonte: adaptado de RÖSCH, S KARKA e PATYK, 2009).
Devido a uma composição de proteínas, carboidratos e ácidos graxos de
cadeia longa (Ômega-3 e Ômega-6) e poliinsaturados (ARA, EPA e DHA), além
de pigmentos carotenóides (astaxantina, betacaroteno, luteína, cantaxantina,
etc), o grande mercado das microalgas, até o presente momento, concentra-se
na produção de ração animal e de produtos de alto valor agregado. Os
compostos microalgais apresentam alto interesse principalmente para as
indústrias farmacêuticas e de cosméticos, que oferecem um alto retorno
financeiro para tais produtos, como apresentado na Tabela 2 (DERNER et. al,
2006; PEREIRA, 2007; RÖSCH, SKARKA e WEREGER, 2012).
MICROALGAS
Lipídios
Amidos
Proteínas
LUZ
Nutrientes
OpcionalÁgua residuáriaÁgua salgadaCO2 de indústriasÁrea degradada
Processamento e Conversão
Entradas CultivoCultivo Produtos
BIODIESEL
ETANOL
METANO
HIDROGÊNIO
ELETRICIDADE
PRODUTOS DE
ALTO VALOR
ALIMENTO,
RAÇÃO
Esmagamento/
Extração
Fermentação
Digestão
anaeróbica
Gaseificação
Secagem/
Gaseificação
Secagem/
Extração
Secagem
Lagoa aberta
Fotobioreator
tubular
Fotobioreator
placa plana
24
Tabela 2 - Produtos produzidos a partir de compostos de microalgas.
COMPOSTO PRODUTOS
Biomassa
Alimentos naturais
Alimentos funcionais
Aditivos alimentares
Aquicultura
Condicionador de solo
Corantes e Antioxidantes
Cosméticos
Aditivos alimentares
Ácidos Graxos Aditivos alimentares
Enzimas
Medicina
Alimentos naturais
Aditivos alimentares
Polímeros
Cosméticos
Medicina
Aditivos alimentares
Produtos Especiais
Pesquisa
Medicina
25
Fonte: Adaptado de DERNER et al. 2006.
Com a recorrente crise no setor energético mundial, resultante da
escassez e dos problemas geopolíticos das fontes fósseis, principalmente do
petróleo, outras fontes alternativas, principalmente oriundas de biomassa, vêm
sendo ao longo das últimas décadas propostas como possíveis substitutas dos
combustíveis fósseis. Com uma eficiência de conversão de energia solar em
energia química de aproximadamente 10% (TAVARES, 2009), as microalgas
apresentam uma produtividade muito superior às culturas terrestres. Essa
produtividade de biomassa acabou tornando as microalgas um atrativo para a
indústria energética. Como pode ser observado na Figura 4, existem inúmeras
possibilidades de aproveitamento energético das microalgas:
Figura 4 - Rotas de produção de biocombustíveis a partir de microalgas
(Fonte: adaptado de DERNER et al. 2006; RÖSCH et al., 2009; XU et al., 2011).
Devido ao elevado teor de óleo (Tabela 3) por unidade de biomassa seca,
passou-se a considerar as microalgas como uma matéria-prima em potencial
para a produção de biodiesel.
Tabela 3 - Teor de óleo (lipídios) de algumas das principais microalgas.
MICROALGA TEOR DE ÓLEO
(% do peso seco da biomassa)
Botryococcus braunii 25–75
26
Chlorella sp. 28–32
Crypthecodinium cohnii 20
Cylindrotheca sp. 16–37
Dunaliella primolecta 23
Isochrysis sp. 25–33
Monallanthus salina >20
Nannochloris sp. 20–35
Nannochloropsis sp. 31–68
Neochloris oleoabundans 35–54
Nitzschia sp. 45–47
Phaeodactylum tricornutum 20–30
Schizochytrium sp. 50–77
Tetraselmis sueica 15–23
Fonte: CHRISTI, 2007.
Os teores de lipídios (óleo) podem variar de espécie para espécie e,
também, dentro de uma mesma espécie, dependendo das condições de cultivo
e extração que a microalga seja submetida. A literatura, especialmente os
trabalhos de Avaliação do Ciclo de Vida, traz a espécie Chlorella vulgaris como a
mais estudada para a produção de biodiesel (LARDON et al., 2009; COLLET et
al., 2011; LI et al., 2011; PITTMAN et al., 2011; XU et al., 2011; YANG et al.,
2011).
A Chlorella vulgaris é uma microalga de água doce pertencente à classe
Chlorophyceae, ordem Chlorococcales e família Oocystaceae (MARINHO et al.,
2009). Segundo MARINHO et al. (2009), essa espécie apresenta uma forma de
vida unicelular ou colonial, podendo acumular pigmentos como clorofila a e b, β-
caroteno e xantofilas. A reprodução pode ser por divisão binária, esporos
assexuais e reprodução sexual. Apesar de o amido ser sua principal forma de
reserva, sob certas condições esta espécie pode armazenar óleo.
De acordo com CHISTI (2007), o teor de óleo da Chlorella vulgaris pode
variar entre 28% e 32% do peso seco da biomassa. Entretanto, SCOTT et al.
(2010) afirma que a concentração de lipídios pode ultrapassar os 46% da
biomassa, tornando-a uma espécie com potencial para a produção de biodiesel.
Para TAVARES (2009), a viabilidade da produção de biodiesel a partir de
microalgas depende de melhorias nas três principais fases de produção: cultivo,
separação (colheita) e processamento da biomassa (extração). Sendo assim, o
desenvolvimento de pesquisas que busquem a otimização das tecnologias e
27
sistemas de produção de biomassa, colheita e conversão dessa biomassa, são
essenciais para viabilizar a produção em larga escala de biodiesel de
microalgas.
1.2.1. Cultivo
Existem inúmeros sistemas de cultivo de microalgas desenvolvidos,
testados e otimizados em escala laboratorial e piloto (ERIKSEN, 2008).
Entretanto, atualmente os únicos sistemas viáveis em larga escala são as lagoas
abertas e os fotobiorreatores fechados.
O cultivo de microalgas, para a maioria das espécies conhecidas, requer
a incidência de luz, CO2, água, sais inorgânicos e uma temperatura entre 20 e
30oC (CHRISTI, 2007). A maior parte da produção comercial de microalgas se
dá em lagoas abertas, na sua maioria em “lagoas circulantes” ou raceways, com
uma circulação contínua da água. Para evitar o aparecimento de espécies
concorrentes ou zooplânctons, o cultivo deve-se realizar sob condições
específicas quanto à salinidade e, ou pH do meio de cultivo. As espécies que
melhor se adequaram ao cultivo em larga escala foram a Nannochloropsis,
Spirulina, Dunaliella e a Chlorella (LIU, 2012; RÖSCH et al., 2012).
Os sistemas de cultivo raceways vêm sendo utilizados desde 1950, sendo
atualmente o mais difundido na produção comercial de microalgas, o que se
deve ao baixo custo de implantação e operação, gerado pelas rústicas
estruturas físicas de plástico ou concreto, com uma profundidade que varia entre
10 e 20 centímetros (CHRISTI, 2007; RÖSCH, SKARKA e WEREGER, 2012).
Construídas sob uma volta fechada (loop), semelhante à uma pista de corrida,
as raceways se caracterizam por possuírem pás rotatórias, responsáveis por
fazer a água e os nutrientes circularem por todo o tanque, como indicado na
Figura 5:
28
Figura 5 – (A) Esquema de uma lagoa aberta tipo “raceway”. (B) Visão aérea de uma
“raceway”.
Apesar dos baixos custos, as lagoas abertas, em geral, apresentam
pontos negativos como elevada evaporação de água, variações indesejadas nas
condições ambientais de temperatura, luminosidade, pH, além disso, aumenta-
se o risco de contaminação por outros organismos. Tais fatores contribuem para
uma produtividade baixa, em comparação aos sistemas fechados (CHRISTI,
2009; TAVARES, 2009).
-
Figura 6 – (A) Esquema de um fotobiorreator fechado do tipo tubular. (B) Maquete de
um fotobiorreator tubular.
Nos fotobiorreatores fechados (Figura 6), diferentemente das lagoas
abertas, as condições de cultivo podem ser controladas, impedindo a
contaminação por outras espécies e potencializando o crescimento e acumulo
de compostos desejáveis, além de prevenir a evaporação de água e reduzir as
perdas de CO2 (TAVARES, 2009). Os fotobiorreatores tubulares consistem em
tubos transparentes, geralmente de plástico ou vidro. Neste sistema, as
29
microalgas são bombeadas de um reservatório fechado para esses tubos
transparentes, aonde captarão a luminosidade.
Entretanto, os elevados custos de construção e manutenção destes
sistemas para uma produção de microalgas em larga escala, até o momento, só
o viabilizam o cultivo para a produção de compostos de alto valor agregado,
destinados para os mercados farmacêutico, nutricional e de cosméticos
(CHRISTI, 2007; ERIKSEN, 2008; RÖSCH, SKARKA e WEREGER, 2012).
1.2.2. Separação e processamento da biomassa
A separação, ou colheita, e o processamento da biomassa são as etapas
mais críticas de todo o processo de produção de microalgas. Segundo MOLINA
et al. (2003), essa fase pode ser responsável por até 30% de todo o custo de
produção da biomassa, caracterizando-se como o gargalo da produção de
produtos de baixo custo, como os biocombustíveis. Nos fotobiorreatores
fechados, a colheita se dá de forma mais fácil do que nos “raceways”, haja vista
que a concentração da biomassa é muito superior.
Assim como no processo de cultivo, o processo de colheita também
possui inúmeros métodos em escala laboratorial, sendo que os mais aplicados
em escala piloto e comercial, apesar de nem sempre serem os mais baratos,
são: a sedimentação, a centrifugação, a filtração, a floculação (química ou
espontânea), a flotação e o auxílio biológico (MOLINA et al., 2003; PACKER
2009 apud TAVARES 2009; MATA et al., 2010; REKOSKE, 2011).
Segundo TAVARES (2009), a relação custo/eficiência deve ser o ponto
principal a ser observado na colheita, haja vista que a biomassa de microalgas é
constituída essencialmente por água e, esta necessita estar com uma
quantidade de umidade adequada para que seja possível realizar o processo de
extração dos compostos. Essa adequação de umidade é feita através de algum
processo de secagem, que pode envolver centrifugação, secagem térmica (solar
ou mecânica) e secagem à vácuo (MOLINA et al., 2003; TAVARES, 2009;
REKOSKE, 2011; XU et al., 2011). A escolha do processo de secagem da
biomassa está relacionada com teor de umidade desejado, e o teor, por sua vez,
indicará o processamento (ou extração) mais adequado. Essa combinação de
30
processos pode variar, a depender da espécie de microalga que se esteja
trabalhando e, do produto final que se pretende produzir.
Existem várias formas de processamento da biomassa, variando de
acordo com a espécie, o teor de umidade e, o composto que se pretende extrair.
Os principais meios de extração são: prensagem mecânica, solventes, ruptura
celular, ultrassom, fluidos supercríticos, choque osmótico e enzimas (LARDON
et al., 2009; TAVARES, 2009; MATA et al., 2010; REKOSKE, 2011; XU et al.,
2011).
Em seu trabalho, XU et al. (2011) propõem duas rotas de processamento
da biomassa e extração do óleo, para produção de biodiesel. No que ele
denomina de “rota úmida” (wet route) os lipídios são extraídos a partir de uma
biomassa com 70% de umidade. Para isso, é utilizada a sequência de
processos: floculação química (98% de umidade), centrifugação (84%) e
desidratação mecânica (70%). Importante salientar que, ele considera o
“rompimento celular” como forma de extração dos lipídios; tal método, porém,
não é viável para uma produção em larga escala. (XU et al., 2011)
Para a “rota seca” (dry route), XU et al. (2011) considera a extração via
solvente, para tal método, a taxa de umidade da biomassa algal deve ser inferior
a 20%. A sequência de processos utilizados nesta rota é: floculação química
(98% de umidade), centrifugação (84%), desidratação mecânica (70%) e ruptura
celular (15%).
Nenhum dos métodos atualmente utilizados é considerado preferencial.
Todos apresentam aspectos positivos e negativos que precisam ser
considerados. De acordo com AMIN (2009), o método de extração pode
determinar a viabilidade econômica de todo o processo de aproveitamento
energético das microalgas. No caso específico da produção de biodiesel, a
extração dos lipídios tem se dado através do uso de solventes como o álcool,
hexano e clorofórmio (puros ou misturados). Dentre os solventes citados, o
hexano tem se apresentado como o mais viável, por ser biocompatível, seletivo
e oferecer menores custos, além de apresentar uma eficiência de extração
superior a 96% (LARDON et al., 2009; MATA et al., 2009).
1.2.3. Conversão
31
Depois de extraído o composto das microalgas (lipídios, carboidratos,
hidrocarbonetos, isoprenóides, biomassa seca, etc), é necessário transformá-lo
em um produto, esta fase é conhecida como conversão. Existem vários métodos
de conversão (GOYAL et al., 2008; AMIN, 2009; SAXENA et al., 2009),
destacando-se:
Biodigestão anaeróbica;
Esterificação;
Fermentação;
Gaseificação;
Hidrogenação;
Liquefação;
Pirólise;
Transesterificação;
Todos estes processos de conversão ainda necessitam de melhorias,
visando o aumento da eficiência e a diminuição dos custos. O desenvolvimento
de pesquisas que ajudem no avanço tecnológico de tais processos é vital para
tornar os biocombustíveis de microalgas viáveis e competitivos, em relação aos
concorrentes, em especial os combustíveis fósseis.
1.3. Avaliação do Ciclo de Vida (ACV)
A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) é uma ferramenta de avaliação, que
diferentemente das metodologias de avaliação ambiental tradicionais, foca o
produto, considerando toda a história deste – extração de recursos naturais;
manufatura do produto; distribuição; uso e disposição final – sendo uma
ferramenta que analisa os padrões de produção com base em cada processo da
cadeia produtiva, bem como, os impactos potenciais do produto, considerando
todas as entradas e saídas do processo (ISO 14040, 2006).
A depender dos objetivos, a história do produto ou processo analisado
pode ser abreviada ou expandida, o que se denomina definição da fronteira do
estudo. Dentre as abordagens utilizadas pela ACV, destacam-se (SCHENCK,
2009):
32
Cradle-to-grave (do berço ao túmulo): considera todo o ciclo de vida,
desde a extração das matérias-primas até a morte do produto
(descarte).
Cradle-to-gate (do berço ao portão): considera a fase agrícola do
produto, ou seja, da extração das matérias-primas até a entrada da
fábrica de beneficiamento (estudos sobre commodities).
Gate-to-gate (do portão ao portão): considera apenas a fase
industrial do produto, i.e, da chegada à fábrica de beneficiamento até
sua saída (estudos de processos unitários).
Gate-to-grave (do portão ao túmulo): considera o produto na fábrica,
até seu descarte (estudos de mercado).
Os procedimentos para utilizar a ACV estão previstos nas normas ISO
14040 e 14044 que abrangem, respectivamente: a estrutura geral, princípios e
requisitos para condução do estudo; e, as etapas dessa condução, divididas em
quatro fases: definição do objetivo e escopo do trabalho; construção do
inventário; avaliação do impacto do ciclo de vida; e interpretação (Figura 7).
Figura 7 - Fluxograma simplificado das etapas empregadas na condução da ACV
(Fonte: ISO 14040, 2006).
Dentre as exigências previstas na Norma ISO 14044 (2006, p. 11),
destacam-se:
33
Desenhar diagramas de fluxo de processo específico que contornam toda a unidade dos processos a serem modelados, incluindo suas inter-relações;
Descrição de cada unidade de processo em detalhes com relação aos fatores que influenciam as entradas e saídas;
Anúncio de fluxos e dados relevantes para as condições de funcionamento associadas a cada unidade de processo;
Desenvolvimento de uma lista que especifica as unidades usadas;
Descrever as técnicas de coleta de dados e cálculos necessários para todos os dados;
Fornecer instruções para documentar claramente os casos especiais, irregularidades ou outros itens associados aos dados fornecidos.
As descrições resumidas das etapas da ACV, previstas na Figura 7 são:
Definição do escopo e objetivos do estudo:
Descrição do sistema de produto a ser estudado;
Delimitação da unidade funcional e da área de estudo;
Análise do Inventário de Ciclo de Vida (ICV):
Fundamentalmente, coleta de dados e cálculos;
Avaliação do Impacto de Ciclo de Vida (AICV):
Seleção da categoria de impacto;
Classificação dos resultados do ICV;
Caracterização dos impactos;
Interpretação do Ciclo de Vida:
Análises de contribuição, comparativas e de incertezas, estudos
de sensibilidade e de alternativas.
Este trabalho utilizou os princípios da ACV para a análise da: Pegada de
Carbono (Capítulo 3) e do “Balanço Energético” (Capítulo 4). Estas dois
aspectos são fundamentais para a discussão da viabilidade econômica e
ambiental de alternativas energéticas, principalmente de biocombustíveis, que
visam a substituição dos combustíveis fósseis. Neste sentido, a construção do
Inventário de Ciclo de Vida (ICV) foi conduzida considerando informações
relevantes para contabilizar o balanço de GEE e o consumo de energia (direto e
34
indireto) da cadeia de produção do biodiesel. Para a análise foram adotados os
métodos IPCC 2007 (100 anos) para a Pegada de Carbono e “Demanda
Acumulada de Energia” (CED) para o balanço energético. O primeiro método foi
desenvolvido pelo Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas no ano de
2001, e atualizado no ano de 2007, e leva em consideração um horizonte de 100
anos, já o CED, foi desenvolvido pela empresa PRé Consultant como forma de
incluir a perspectiva de ciclo de vida no balanço energético, contabilizando o
consumo energético direto e indireto dos produtos.
O ICV possui diversos procedimentos que são contemplados pela ISO
14044 e dentre eles, destacam-se a coleta de dados, a alocação e a validação
dos dados, quando os procedimentos são: preparação para a coleta dos dados;
coleta de dados; validação dos dados; relacionando os dados às medidas do
processo e à unidade funcional; procedimentos de cálculo e alocação;
agregação dos dados; e refinamento dos limites do sistema.
Diante disso, a avaliação do balanço de GEE no ciclo de vida do biodiesel
obedeceu a sequência de fases descritas pela Norma ISO 14044 (2006, p. 8):
AICV (Avaliação de impacto do ciclo de vida) – fase de
avaliação do ciclo de vida que visa compreender e avaliar a
magnitude e a importância dos impactos ambientais potenciais
de um sistema de produto ao longo do ciclo de vida do produto;
Interpretação do ciclo de vida – fase de avaliação do ciclo de
vida em que as conclusões de uma análise do inventário ou
avaliação do impacto, ou ambos, são avaliadas em relação à
meta definida e alcance a fim de chegar a conclusões e
recomendações;
Afirmação comparativa – alegação ambiental a respeito da
superioridade ou equivalência ao produto analisado versus um
produto concorrente que executa a mesma função;
Transparência – apresentação aberta, abrangente e
compreensível das informações.
35
Das quatro fases da ACV, a interpretação do ciclo de vida, ou seja, a
análise dos resultados, conclusões e recomendações é a fase onde as
características da ACV são melhores representadas, pois neste momento do
estudo ocorre um processo iterativo, proporcionando a repetição das fases
anteriores, como revisão do escopo e objetivos, natureza e qualidade dos dados
coletados.
A robustez dos resultados será testada através da análise de
sensibilidade, que determinará o quanto uma alteração no ICV ou nas
suposições do estudo, pode afetar os resultados da AICV e da análise de
incertezas dos dados e dos pressupostos, verificando sua influência nos cálculos
e resultados dos indicadores da categoria e, por fim, indicando o grau de
confiabilidade dos resultados da AICV (ISO 14044, 2006).
36
CAPÍTULO 2: METODOLOGIA
2.1. Materiais e Métodos
O estudo utilizou os princípios da Avaliação do Ciclo de Vida (normas ISO
14040 e 14044), na modelagem dos cenários, nos inventários, nas análises de
fluxos de energia e materiais e das emissões de GEE do biodiesel de
microalgas, considerando uma perspectiva berço ao portão (cradle-to-gate), ou
seja, do cultivo das microalgas até a produção do biodiesel.
Os dados inventariados foram organizados em planilhas eletrônicas,
sendo estes dados provenientes de fontes secundárias e cálculos realizados
através de balanços de massa. A modelagem do sistema e os cálculos
matemáticos (incluindo análises de incertezas) dos balanços foram realizados
através do software proprietário Simapro 7.1.8© (Pré Consultants, Holanda). O
banco de dados utilizado foi o Ecoinvent 2.0. Todos os dados foram tratados e
normalizados para a unidade funcional de 1,0 tonelada de biodiesel microalgal.
2.2. Descrição do processo
Foi realizada uma Avaliação Ambiental do Ciclo de Vida, com foco nas
categorias de impacto “Mudanças Climáticas” e “Demanda de Energia
Acumulada”, da proposta de integração entre a produção de biodiesel de
microalgas com uma destilaria de álcool de cana-de-açúcar. As escalas de
produção adotadas para ambos os sistemas produtivos foram escalas
comerciais, como pode ser visualizado na tabela 4.
37
Tabela 4 - Escalas assumidas para a análise dos impactos dos sistemas a serem
integrados:
BIOREFINARIA ESPECIFICAÇÕES QTD UNIDADE
Destilaria de
álcool a
Área de cultivo (cana) a 20223 ha.a-1
Cana-de-açúcar a 1.340.820 t.a-1
Álcool a 90.000 t.a-1
Eletricidade (bagaço) a 12.603.708 MWh.a-1
Vinhaça a 1.153.295 t.a-1
CO2 (queima do bagaço) a 421.713 t.a-1
Microalgas
Área de cultivo b 100 ha.a-1
Biomassa (peso seco) b 5000 t.a-1
Óleo b 2185 t.a-1
Biodiesel c 2081 t.a-1
Glicerina c 104 t.a-1
a Base de dados ECOINVENT 2.0, 2006. b XU et.al., 2011. c Calculado com base em U.S. Department of Agriculture and Energy, 1998.
As propostas e definições dos cenários analisados neste estudo tiveram
como base o sistema de produção de biodiesel via “rota seca” (biomassa com
umidade inferior à 20%) proposta por Xu et al. (2011): cultivo de microalgas da
espécie Chlorella vulgaris em lagoas abertas do tipo raceway; colheita via
floculação; secagem, dividida em centrifugação, secagem mecânica e térmica;
extração por solvente (hexano) do óleo e a produção do biodiesel por
transesterificação (homogênea/ácida). Algumas adaptações foram realizadas,
sendo a principal, o reaproveitamento da água. A modelagem de tal processo
teve como base experimentos de laboratório.
Foram propostos e modelados cinco cenários de produção de biodiesel
de microalgas, visando analisar o impacto do reaproveitamento da biomassa
residual (via processo pirólise ou biodigestão anaeróbica) e da integração com
uma destilaria de álcool (impactos referentes à infraestrutura da implantação do
cultivo de microalgas foram desconsiderados):
38
1) Cenário C0: Partindo do proposto em XU et al. (2011), “rota seca”, foram
introduzidas algumas alterações, considerando o reaproveitamento de 84%
água residual de todo o sistema (YANG et al., 2011), além de adaptações
nos dados, visando adequá-los à realidade brasileira (matriz energética).
Neste caso, a biomassa residual (torta) foi descartada, não sendo
considerado nenhum processo de aproveitamento energético desta (Figura
8). Este cenário foi modelado, visando a avaliação dos impactos do
reaproveitamento da biomassa residual.
Figura 8 – Fluxograma do cenário C0 contendo os processos unitários e os fluxos de
materiais e energia.
Bombeamento
CULTIVO
SECAGEM TÉRMICA
Biomassa seca
Bombeamento
Bombeamento
Bombeamento
Óleo
NPKTRANSPORTE
CO2
Energia (elétrica)
CalFloculante
Energia (elétrica)FLOCULAÇÃO
Energia (elétrica) CENTRIFUGAÇÃO Energia (elétrica)
Energia (elétrica e térmica)Energia (elétrica e térmica)
Hexano
Energia (térmica)Produtos químicos
ÁguaEnergia (elétrica)
Água residual
TRATAMENTO(Filtragem)
SECAGEM MECÂNICA
Água
EXTRAÇÃODO ÓLEO
TRANS-ESTERIFICAÇÃO
BIODIESELGlicerina
Biomassa residual
39
2) Cenário C1: C0 + reaproveitamento da biomassa residual, via Pirólise (óleo,
gás e biochar). Este cenário equivale ao modelo proposto XU et al. (2011),
acrescentando-se a reciclagem de 84% da água residual (Figura 9).
Figura 9 – Fluxograma do cenário C1 contendo os processos unitários e os fluxos de
materiais e energia.
Bombeamento
CULTIVO
SECAGEM TÉRMICA
Biomassa seca
Bombeamento
Bombeamento
Bombeamento
Óleo
NPKTRANSPORTE
CO2
Energia (elétrica)
CalFloculante
Energia (elétrica)FLOCULAÇÃO
Energia (elétrica) CENTRIFUGAÇÃOEnergia (elétrica)
Energia (elétrica e térmica)Energia (elétrica e térmica)
Hexano
Energia (térmica)Produtos químicos
ÁguaEnergia (elétrica)
Água residual
TRATAMENTO(Filtragem)
SECAGEM MECÂNICA
Água
Biomassa residual
EXTRAÇÃODO ÓLEO
Energia (elétrica e térmica)Produtos químicos
Óleo de PiróliseGás de Pirólise
Biochas
PIRÓLISE
BIODIESELGlicerina
TRANS-ESTERIFICAÇÃO
40
Biogás
Bombeamento
CULTIVO
SECAGEM TÉRMICA
Biomassa seca
Bombeamento
Bombeamento
Bombeamento
Óleo
NPKTRANSPORTE
CO2
Energia (elétrica)
CalFloculante
Energia (elétrica)FLOCULAÇÃO
Energia (elétrica) CENTRIFUGAÇÃO
Energia (elétrica)
Energia (elétrica e térmica)Energia (elétrica e térmica)
Hexano
Energia (térmica)Produtos químicos
ÁguaEnergia (elétrica)
Água residual
TRATAMENTO(Filtragem)
SECAGEM MECÂNICA
Água
Biomassa residual
EXTRAÇÃODO ÓLEO
CH4
CO2
Energia (elétrica e térmica)Esterco
Substrato Biodigerido
TRANS-ESTERIFICAÇÃO
BIODIGESTÃO
BIODIESELGlicerina
3) Cenário C2: C0 + reaproveitamento da biomassa residual, via Biodigestão
Anaeróbica. Este processo gera dois produtos: biogás e substrato biodigerido
(biofertilizante); sendo este último, reaproveitado como fonte de nutrientes na
fase de cultivo (Figura 10). Foi assumida para este cenário uma perda
fugitiva de 3% do biogás, sendo 70% CH4 e 30% CO2 (BACHMAIER et al.,
2010).
Figura 10 - Fluxograma do cenário C2, indicando os processos unitários e os fluxos de
materiais e energia.
41
Bombeamento
CULTIVO
SECAGEM TÉRMICA
Biomassa seca
Bombeamento
Bombeamento
Bombeamento
Óleo
NPTRANSPORTE
CalFloculante
FLOCULAÇÃO
CENTRIFUGAÇÃO
Energia (térmica)Energia (térmica)
HexanoEnergia (térmica)
Produtos químicos
Água
Água residual
TRATAMENTO(Filtragem)
SECAGEM MECÂNICA
Água
Biomassa residual
EXTRAÇÃODO ÓLEO
TRANS-ESTERIFICAÇÃO
Energia (térmica)Produtos químicos
Vinhaça
CO2
Eletricidade
Eletricidade
DESTILARIA DE ÁLCOOL
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Óleo de PiróliseGás de Pirólise
Biochas
PIRÓLISE
BIODIESELGlicerina
4) Cenário C3: C1 + integração com uma destilaria de álcool. Foram
assumidos como inputs do sistema os seguintes co-produtos/resíduos da
destilaria: CO2 (queima do bagaço), vinhaça e eletricidade da cogeração
(Figura 11).
Figura 11 - Fluxograma do cenário C3 incluindo os processos unitários e os fluxos de materiais
e energia com as entradas provenientes da destilaria de álcool.
42
Bombeamento
CULTIVO
SECAGEM TÉRMICA
Biomassa seca
Bombeamento
Bombeamento
Bombeamento
Óleo
CalFloculante
FLOCULAÇÃO
CENTRIFUGAÇÃO
Energia (térmica)
Energia (térmica)Hexano
Energia (térmica)Produtos químicos
Água
Água residual
TRATAMENTO(Filtragem)
SECAGEM MECÂNICA
Água
Biomassa residual
EXTRAÇÃODO ÓLEO
TRANS-ESTERIFICAÇÃO
Energia (térmica)Esterco
Vinhaça
CO2
Eletricidade
Eletricidade
DESTILARIA DE ÁLCOOL
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Eletricidade
Biogás
CH4
CO2
BIODIGESTÃO
Substrato Biodigerido
BIODIESELGlicerina
5) Cenário C4: C2 + integração com uma destilaria de álcool. Foram
assumidos como inputs do sistema os seguintes co-produtos/resíduos da
destilaria: CO2 (queima do bagaço), vinhaça e eletricidade da cogeração
(Figura 12). Foi assumida uma perda fugitiva de 3% do biogás, sendo 70%
CH4 e 30% CO2 (BACHMAIER et al., 2010).
Figura
A relação entre os co-produtos e resíduos da destilaria e os insumos do
cultivo de microalgas foram estabelecidos com base no balanço de massa e
energia, visando atender a unidade funcional estabelecida.
Na Tabela 5 é possível visualizar o inventário dos cinco cenários
detalhados acima, especificando os insumos e energias (inputs) utilizados na
produção de 1 tonelada de biodiesel de microalgas. Na Tabela 6 estão os
produtos gerados pelo sistema (outputs).
Figura 12 - Fluxograma do cenário C4 incluindo os processos unitários e os fluxos de
materiais e energia com as entradas provenientes da destilaria de álcool.
43
Tabela 5 – Inventário com as entradas (inputs) para a produção de 1 tonelada de
biodiesel de microalgas.
PROCESSO ENTRADA QUANTIDADE
C0 C1 C2 C3 C4
Cultivo
Água nova (t) a, b 1182,90 1104,12
Água reciclada (t)a, b 6210,21
Bombeamento (KWh) b 387,07 382,95
Pás giratórias (KWh) b 0,018
CO2 (t) a 2,82
Bombeamento (KWh) b 62,51
Vinhaça (t)h - - - 83,81
Subst. Biodigerido (t) - - 1,42 - 1,42
Nitrogênio (t)d, h 0,11 0,05 0,06 -
Fósforo (t)d, h 0,02 0,01 0,02 -
Potássio (t)d, h 0,02 0,01 - -
Transp. de NPK (tkm)e 22,95 9,38 12,64 -
Floculação Bombeamento (KWh)c 387,07 Cal (t)d 2,22 Floculante sintético (t)d 0,0037
Secagem
Centrífuga (KWh)c 78,28 Secador mecânico (KWh)c 144,16
Secador térmico (MJ)c 4805,4
Reciclagem Da água
Bombeamento (Kwh)c 546,06 Filtro de areia (KWh)f 208,60
Extração
Eletricidade (KWh)c 161,46 Calor (MJ)c 1826,05 Hexano (t) c 0,0058
Trans-esterificação
Eletricidade (KWh) g 102,90 Calor (MJ) g 1837,46 Metanol (t) g 0,09000 Hidróxido de sódio (t) g 0,0023 Metóxido de sódio (t) g 0,0244 Ácido Clorídrico (t) g 0,0077
Pirólise Eletricidade (KWh) c - 259,68 - 259,68 - Calor (MJ) c - 4099 - 4099 -
Biodigestão Estercoh - - 0,07 - 0,07 Eletricidade (KWh) a - - 7,29 - 7,29 Calor (MJ) a - - 45,99 - 45,99
a Collet et. al., 2011;
b Yang et. al., 2011;
c Xu et.al., 2011;
d Lardon et. al., 2009;
e Valor calculado. As distâncias de 67 km (N), 386 km (P) e 323 km (K), equivalem às distâncias a serem
percorridas, assumindo-se, que o local da produção integrada seja na Região do Recôncavo da Bahia. f Valor calculado. Filtro de areia semelhante ao utilizado em piscinas: 120 w e 3m
3/h;
g U.S. Department Of Agriculture and Energy, 1998;
h Szymanski e Balbinot, 2008;
i Laime et. al., 2011;
44
Tabela 6 - Inventário com as saídas (outputs) relativas à produção de 1 tonelada de
biodiesel de microalgas.
(C0)PRODUTOS Quantidade
C0 C1 C2 C3 C4
BIODIESEL (t)g 1,00 GLICERINA (t)g 0,05
TORTA (t)c 1,35 - - - - ÓLEO DE PIRÓLISE (t)c - 0,95 - 0,95 - GÁS DE PIRÓLISE (t)c - 0,2 - 0,2 -
BIOCHAR (t)c - 0,2 - 0,2 - BIOGÁS (t)a - - 0,01 - 0,01
SUBST. BIODIGERIDO (t)a - - 1,42 - 1,42 a
Collet et. al., 2011; b Yang et. al., 2011;
c Xu et.al., 2011;
d Lardon et. al., 2009;
e Valor calculado. As distâncias de 67 km (N), 386 km (P) e 323 km (K), equivalem às distâncias a serem
percorridas, assumindo-se, que o local da produção integrada seja na Região do Recôncavo da Bahia. f Valor calculado. Filtro de areia semelhante ao utilizado em piscinas: 120 w e 3m
3/h;
g U.S. Department Of Agriculture and Energy, 1998;
h Szymanski e Balbinot, 2008;
i Laime et. al., 2011;
2.3. Análise de Incertezas
Segundo HUNKELER et al. (2003) todos os dados possuem incertezas.
Essas incertezas podem ser expressas pela variância ou pelo desvio padrão, e
estes, calculados por diversos métodos. O mais utilizado para lidar com dados
de inventário do ciclo de vida (ICV) é o método utilizado pelo banco de dados
proprietário ecoinvent: Matriz de Pedigree (Anexo A1). Originalmente
desenvolvida em 1996 por Weidema e Wesnaes, essa matriz tinha o propósito
de analisar a qualidade dos dados em uma Avaliação do Ciclo de Vida (ACV)
(WEIDEMA e WESNAES,1996). Em 2008, Ciroth modificou-a para analisar a
qualidade de dados de custos, utilizados em medições de eco-eficiência
(CIROTH, 2008). A Matriz de Pedigree é composta por seis indicadores (cinco
originalmente proposto por Weidema e Suhr Wesnaes (1996), e um sexto,
proposto pelos responsáveis pelo banco de dados ecoinvent):
45
Confiança (U1): o indicador de confiança relaciona-se à origem do
dado e aos procedimentos utilizados para obter esse dado. A
confiança de um dado será a mesma, independente do objetivo e, do
próprio estudo.
Integralidade (U2): o indicador de integralidade relaciona-se com as
propriedades estatísticas dadas: representatividade da amostra,
quantidade suficiente de dados na amostra e, relevância do período.
O indicador de integralidade também é independe do estudo.
Correlação temporal (U3): o indicador de correlação temporal
relaciona-se ao ano do estudo e ao ano em que os dados foram
obtidos. Como tecnologicamente o tempo influencia muito, quanto
maior for a diferença entre o ano de estudo e o ano em que o dado foi
obtido, mais impreciso será o dado. Diferentemente dos indicadores
de confiança e de integralidade, a correlação temporal de um dado,
muda de acordo com o estudo.
Correlação geográfica (U4): o indicador geográfico relaciona-se à
área de estudo e o local aonde o dado foi obtido. Haja vista que,
geograficamente, os métodos tecnológicos de produção variam muito.
Correlação tecnológica (U5): o indicador tecnológico relaciona-se
entre a tecnologia pretendida no estudo e, a tecnologia do dado.
Tamanho da amostra (U6): o indicador de amostra, refere-se a
quantidade de amostras que deram origem ao dado.
A matriz é composta por seis linhas, referentes aos seis indicadores e, por
cinco colunas, que se referem à pontuação das respostas de cada indicador
(coluna).
Ao final do questionário, o resultado obtido com a matriz se juntará ao
valor da incerteza básica (Anexo A2) daquele produto e, formação um vetor de
sete posições. As seis primeiras posições correspondem à pontuação obtida na
Matriz de Pedigree e, a sétima posição refere-se ao valor obtido na lista de
incerteza básica (Ub). Com estas informações, é possível calcular o desvio
padrão (DP) e a variância (σ):
46
A Equação 1 calcula o desvio padrão geométrico do dado com um
intervalo de confiança de 95%. Esse intervalo de confiança é através do uso da
distribuição lognormal, assumida pelo Ecoinvent. A Equação 2 refere-se ao
cálculo da variância, igual à raiz quadrada do desvio padrão.
De posse destes valores, é possível utilizar uma ferramenta estatística
para analisar as incertezas associadas aos dados do inventário, avaliação de
impacto e processos de ponderação (HUNG e MA, 2009). A ferramenta mais
utilizada em estudos de ACV é a simulação de Monte Carlo. Presente no
software Simapro 7.8©, a simulação de Monte Carlo é um modelo estatístico que
utiliza a geração de números aleatórios para atribuir valores às variáveis que se
deseja investigar. Esses valores são selecionados de forma independente, de
acordo com a distribuição de probabilidade definida (uniforme, triangular, normal
e lognormal), ou seja, o número aleatório utilizado em uma rodada não influencia
os próximos números aleatórios a serem utilizados. Por meio dessa geração de
números aleatórios, o método de Monte Carlo possibilita a resolução de uma
enorme quantidade de problemas, permitindo a implantação de hipóteses
adicionais às previsões (LUSTOSA, PONTE e DOMINAS, 2010).
2
1
47
CAPÍTULO 3:
BALANÇO ENERGÉTICO
3.1. Balanço Energético
O balanço energético é um parâmetro importante na análise de
viabilidade de biocombustíveis, com a análise da relação entre a quantidade
total de energia não-renovável empregada para a produção de combustíveis
(EInput) e a energia contida na sua combustão (Eoutput) considerando os processos
agrícolas e industriais (URQUIAGA et al., 2005), permitindo assim, inferir sobre a
viabilidade técnica, econômica e ambiental de uma determinada matéria-prima
e/ou tecnologia de produção de combustíveis (OLIVEIRA, 2010).
A energia de entrada (EInput) de um sistema pode ser dividido em 3
categorias (ALMEIDA NETO et al., 2004):
EInput direta: energia consumida de forma direta (queima de
combustíveis fósseis, eletricidade e vapor. É calculada através da
energia fóssil primária consumida na produção e/ou do Poder
Calorífico Inferior (PCI) do combustível;
EInput indireta: energia consumida de forma indireta, através do uso de
insumos agrícolas, equipamentos, máquinas, infraestrutura e
transporte. É calculada através da energia fóssil primária empregada
na produção de cada produto do processo;
EInput de transporte: energia empregada no transporte de inputs
(insumos) e outputs (produtos e co-produtos), calculada a partir da
distância de transporte e consumo de combustível fóssil da máquina
que realizará de fato o transporte.
Várias abordagens foram propostas visando obter uma análise de
desempenho energético de sistemas de produção de energia, dentre as quais
destacam-se: Requerimento de Energia Total (Gross Energy Requirements),
Tempo de Retorno de Investimento em Energia (Energy Payback Time), Fator
de Produção de Energia (Energy Yeld Factor) e Ganho Energético (Energy
48
Gain). (IFIAS, 1978; HAAL et al., 1986; KEIOLEIAN e LEWIS, 1997; ANSEMA,
1998).
Atualmente, a abordagem “Requerimento de Energia Total” vem sendo a
mais utilizada para calcular o consumo de energia primaria durante o ciclo de
vida de um produto. Devido à falta de uniformidade nas terminologias referentes
às análises de desempenho energético, esta abordagem passou a ser
conhecida como Demanda Acumulada de Energia (Cumulative Energy Demand
– CED) (KLOPFER, 1997; FUKUROZAKI, 2011).
A Demanda Acumulada de Energia, ou simplesmente CED, calcula a
somatória de todas as energias (elétrica e térmica) de entrada em todas as fases
do ciclo de vida do produto, levando em consideração a energia gasta na
infraestrutura de produção (E1input); a energia demandada para a operação do
sistema (E2input); a energia gasta para a produção e transporte das entradas e
saídas (E3input), podendo ir até a energia gasta para o descarte do produto
(Eninput), como pode ser observado na Equação 3:
Já o EOutput refere-se à energia contido nos produtos e co-produtos do
sistema, isto é, o poder calorífico. No caso, utiliza-se o Poder Calorífico Inferior
(PCI), que indica a energia do combustível que está disponível para
aproveitamento.
A maioria dos estudos sobre balanço energético de biocombustíveis
considera a Relação de Substituição de Energia Fóssil (Fossil Energy
Replacement Ratio - FER) ao invés da relação de energia total. A Relação de
Substituição de Energia Fóssil, ou simplesmente FER, calcula a relação entre a
energia produzida pelo sistema (Eoutput ou PCI) e o Demanda Acumulada de
Energia Fóssil (CED fóssil) (Equação 4), tendo em vista que essa energia fóssil
não é renovável, podendo causar fortes impactos para o meio ambiente
(PRADHAN et al, 2009; XU et al. 2011).
(3)
4
49
Para avaliar a viabilidade, do ponto de vista energético, da integração
entre as biorefinarias (álcool e biodiesel), foi considerada Energia Líquida
(PCIsistema – CED) do biodiesel de microalgas e de seus coprodutos produzidos
nos cinco diferentes cenários propostos, bem como a FER (PCIsistema / CED
fóssil).
3.1.1. Demanda Acumulada de Energia (CED)
No que diz respeito à Demanda Acumulada de Energia (CED), ou seja, à
quantidade de energia requisitada para produzir uma tonelada de biodiesel de
microalgas, é possível analisar os resultados da Figura 13 sob duas
perspectivas. A primeira se dá quanto à variação do gasto energético para
reaproveitar a biomassa residual (torta), de acordo com o tipo de tecnologia
utilizada (pirólise ou biodigestão anaeróbica). E a segunda quanto à variação na
CED, após a integração da produção de biodiesel com a produção de álcool de
cana-de-açúcar.
Figura 13 - Comparativo da Demanda Acumulada de Energia (CED), em GJ/t de
biodiesel, dos cenários C0, C1, C2, C3 e C4.
83,89 90,30
79,89
53,82
43,24
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
Demanda Acumulada de Energia (CED)
GJ/
t d
e b
iod
iese
l
Cenário C0 Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3 Cenário C4
50
Analisando o comportamento dos cenários de produção autônoma de
biodiesel de microalgas (sem integração) C0, C1 e C2, é possível avaliar o
impacto tanto do aproveitamento da torta quanto da tecnologia utilizada para
este aproveitamento. Os cenários C1 (pirólise) e o cenário C2 (biodigestão
anaeróbica) apresentaram comportamentos distintos, em comparação ao
cenário C0 (sem o aproveitamento energético da torta). O cenário C1 apresentou
uma demanda por energia 8% superior à do cenário C0. O que se justifica pela
inserção de mais um processo ao sistema (pirólise), o que consequentemente
significa mais consumo de energia (elétrica e térmica). Já o cenário C2
apresentou um consumo energético 13% inferior ao cenário C1 e 5% inferior ao
cenário C0, mesmo com a inclusão de um novo processo ao sistema
(biodigestão anaeróbica). Essa redução no consumo direto e indireto de energia
se dá pelo reaproveitamento do substrato gerado pelo processo. Esse substrato
é utilizado como fonte de nutrientes NPK na fase de cultivo das microalgas,
reduzindo a utilização de nutrientes químicos e consequentemente, o consumo
energético referente a sua produção e transporte.
Quanto ao impacto da utilização integração, ou seja, o uso dos
coprodutos da destilaria de álcool de cana-de-açúcar como insumos para a
produção de biodiesel de microalgas, os resultados dos cenários C3 e C4 foram
bastante positivos. A integração em associação com o aproveitamento da torta
via pirólise (C3) reduziu a CED em aproximadamente 36%, em comparação ao
cenário C0. Já a integração em associação com o aproveitamento da torta via
biodigestão anaeróbica (C4) reduziu a CED em aproximadamente 48%, em
comparação ao cenário de produção autônoma e sem aproveitamento
energético da torta (C0).
Analisando apenas o impacto da integração em cada uma das tecnologias
de aproveitamento da torta, isto é, C1 x C3 e C2 x C4, o uso dos coprodutos da
destilaria de álcool reduziram em aproximadamente 60% a CED do sistema que
utiliza a pirólise (C3 em comparação com C1) e, em 46% a CED do sistema que
utiliza a biodigestão anaeróbica (C4 em comparação com C2) (Anexo A3).
Valores da contribuição de cada um dos coprodutos da destilaria de álcool
na redução da CED do biodiesel de microalgas estão apresentados na Tabela 7.
51
Tabela 7 - Comparação da Demanda Acumulada de Energia (CED), em GJ por
tonelada de biodiesel, do CO2, eletricidade e NPK provenientes de fontes
convencionais e como coprodutos da destilaria de álcool.
GJ / t de biodiesel
CO2 ELETRICIDADE NUTRIENTES (NPK)
Sem integração* 31,97 76,71 8,46
Com integração** 0,00 55,14 0,09
* Valores obtidos através dos materiais utilizados convencionalmente (cenários C0, C1 e C2):
CO2 líquido industrializado, eletricidade da rede e fertilizantes químicos (desconsiderando o
transporte).
** Valores obtidos através dos materiais provenientes da destilaria de álcool de cana-de-açúcar
(cenários C3 e C4): CO2 da fermentação, eletricidade gerada através do bagaço e vinhaça.
Nota-se nos valores apresentados na Tabela 7 que, para produzir 1
tonelada de biodiesel de microalgas, a eletricidade é a entrada energética mais
relevante (direta e indiretamente), seguida pelos nutrientes (NPK) e pelo CO2.
Os coprodutos da destilaria apresentaram uma CED bem menor, em relação aos
materiais convencionais. Com destaque para o CO2 proveniente da usina, que
apresentou a maior redução na CED: 100%. Em seguida aparece o uso da
vinhaça como fonte de NPK, com uma redução na CED de aproximadamente
90% em comparação à CED dos nutrientes químico utilizados nos cenários sem
integração. Já a eletricidade apresentou a menor redução de CED (28,12%),
haja vista que, a matriz utilizada no estudo, foi a matriz elétrica brasileira, que
por usa vez, possui características energéticas positivas, quando comparada a
matrizes de outros países (para maiores detalhes ver Anexo A4).
52
Figura 14 - Comparativo da Demanda Acumulada de Energia (CED) relativa, por fonte
primária de energia, dos cenários C0, C1, C2, C3 e C4.
Nos resultados apresentados na Figura 14 é possível visualizar a
contribuição do uso dos coprodutos da destilaria de álcool. Os cenários C0, C1 e
C2 (todos sem integração) apresentaram pouca variação entre si, com uma
relação de aproximadamente 70% da CED baseada em energia fóssil, 12% em
energia nuclear, 2% em energia proveniente da biomassa Já os cenários com
integração (C3 e C4), além das reduções em valores absolutos, também
apresentaram redução na participação das energias não-renováveis (fóssil e
nuclear) e aumento no uso de energias provenientes de biomassa na CED do
sistema, quando comparados aos 3 cenários sem integração. O cenário C3
(pirólise + integração) obteve reduções na demanda de energia fóssil (11%),
energia nuclear (7%) e hidrelétrica, eólica, solar ou geotérmica (13%). Essas
reduções foram causadas, principalmente, pela utilização da energia proveniente
do bagaço de cana-de-açúcar, que elevou a participação de energia da
biomassa em 31%. O cenário C4 (biodigestão anaeróbica + integração)
apresentou reduções semelhantes, com reduções de 18% na demanda por
energia fóssil, 6% na demanda por energia nuclear e 13% na demanda por
energia hidrelétrica, eólica, solar ou geotérmica. A utilização dos coprodutos da
destilaria de álcool aliada ao reaproveitamento energético dos nutrientes da torta
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Cenário C0 Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3 Cenário C4
Demanda Acumulada de Energia (CED)
Fóssil Nuclear Biomassa Hidrelétrica, Eólica, solar, geotérmica
53
(através do biofertilizante resultante da biodigestão anaeróbica) aumentou a
participação da energia de biomassa em 37%, quando comparada aos cenários
C0, C1 e C2. Importante destacar que, o elevado percentual relativo da energia
nuclear na CED dos 5 cenários estudados, se deve à utilização do banco de
dados Ecoinvent para alguns processos do inventário, sendo estes processos
baseados na realidade europeia.
3.1.2. Energia líquida
Com relação à energia líquida, tanto o aproveitamento da biomassa
residual quanto a integração com a destilaria de álcool contribuíram para uma
melhoria significativa.
Figura 15 - Comparativo entre a relação da demanda de energia (CED) e a energia
produzida (PCIsistema), em GJ, dos cenários C0, C1, C2, C3 e C4.
Analisando a quantidade total de energia empregada (CED) nos cinco
cenários (Figura 15), é possível observar que os cenários de produção de
biodiesel de forma autônoma (C0, C1 e C2) apresentaram os piores resultados.
Estes três cenários consumiram, respectivamente, 54%, 32% e 50% mais
energia do que produziram; já os cenários com integração, reduziram
83,89 90,30
79,89
53,82
43,24 38,70
61,10
39,89
61,10
39,89
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
Cenário C0 Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3 Cenário C4
GJ / t
de b
iod
iesel
CED PCI sistema
54
significativamente essa proporção. O cenário C4 apresentou uma CED 8%
superior ao PCIsistema; já o cenário C3 conseguiu inverter a relação para uma
PCIsistema 14% superior à CED. Os valores são apresentados na Tabela 8.
Tabela 8 - Comparação das energias CED, PCIsistema e energia líquida (PCIsistema - CED)
dos cenários C0, C1, C2, C3 e C4, para a produção de 1 tonelada de
biodiesel.
Cenários CED* PCIsistema** Energia líquida Unidade
C0 83,89 38,70 -45,19 GJ
C1 90,30 61,10 -29,20 GJ
C2 79,89 39,89 -40,01 GJ
C3 53,82 61,10 7,28 GJ
C4 43,24 39,89 -3,35 GJ
* Calculado através do método CED (versão 1,04) contido no Simapro 7.1.8©.
** PCIsistema calculado através da soma do PCI do biodiesel com o PCI dos coprodutos (óleo, gás
e biochar; ou biogás).
Os cenários C3 e C4 obtiveram os melhores resultados, em comparação
com os demais cenários. Para comparar estes dois cenários, sob o ponto de
vista energético, necessita-se de algumas considerações importantes. Um olhar
voltado para a produção de energia pode indicar o cenário C3 (pirólise +
integração) como o melhor cenário. Haja vista que o uso da pirólise como forma
de aproveitamento energético da biomassa residual, gera 3 coprodutos com
valor energético: óleo, gás e biochar (carvão). Esse acréscimo na produção de
energia aumenta o PCIsistema, resultando em um crédito de energia de 7,28 GJ
por tonelada de biodiesel. Entretanto, sob a pespectiva de sustentabilidade do
sistema, o cenário C4 tende a ser o melhor. Apesar de apresentar uma energia
líquida negativa de 3,35 GJ por tonelada de biodiesel produzido, este cenário,
por meio da biodigestão anaeróbica, produz biogás e biofertilizante (reutilizado
no próprio sistema), demandando uma quantidade de energia menor do que o
cenário C3. Além disso, questões como a diminuição do uso de nutrientes
químicos, principalmente o fósforo, podem indicar vantagens da biodigestão
anaeróbica em relação à pirólise.
55
3.1.3. Relação de Substituição de Energia Fóssil (FER)
A proposta de integração com a produção de álcool favoreceu a FER do
biodiesel de microalgas, como pode ser observado na Figura 16.
Figura 16 - Comparação da FER dos cenários C0, C1, C2, C3 e C4.
O aproveitamento da biomassa residual (torta) aumentou ligeiramente a
FER do biodiesel de microalgas. Os cenários C1 e C2 apresentaram um
aumento, com relação ao cenário C0, de 44% e 10%, respectivamente. Os
cenários C3 e C4 apresentaram, respectivamente, aumentos na ordem de 198%
e 176%, em comparação com C0. Tomando como base o cenário C1, o que
mais se aproxima do modelo de XU et al. (2011), a melhoria na FER dos
cenários C3 e C4 foi, respectivamente, de 106% e 91%. A Tabela 9 apresenta
os valores absolutos para a CED fóssil, PCIsistema e a FER dos cinco cenários
estudados.
0,67
0,96
0,74
1,99 1,84
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
Relação de Substituição de Energia Fóssil (FER)
Cenário C0 Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3 Cenário C4
56
Tabela 9 - Comparação das razões de energia fóssil utilizada (FER) dos cenários C0, C1,
C2, C3 e C4, para a produção de uma 1 de biodiesel.
Cenários CED fóssil* PCIsistema** FER
C0 58,06 38,70 0,67 C1 63,48 61,10 0,96 C2 54,18 39,89 0,74 C3 30,77 61,10 1,99 C4 21,64 39,89 1,84
* Calculado através do método CED (versão 1,04) contido no Simapro 7.1.8©.
** PCIsistema calculado através da soma do PCI do biodiesel com o PCI dos coprodutos (óleo, gás
e biochar; ou biogás).
3.1.4. Balanço Energético: Microalgas X concorrentes
Comparando os resultados das FER’s obtidas dos cinco cenários
estudados (C1, C2, C3 e C4) com as de outros combustíveis concorrentes
(Figura 17), nota-se a importância do aproveitamento energético da biomassa
residual, bem como o potencial da sinergia entre os processos produtivos do
álcool e do biodiesel de microalgas.
Figura 17 - Comparação da FER para C0, C1, C2, C3 e C4 com outros biocombustíveis
(biodiesel) e o diesel fóssil. O coeficiente de variação para os cinco cenários foi
estimado utilizando a combinação Matriz Pedigree com a simulação Monte Carlo
(1000 iterações; 95% de confiança); para os demais combustíveis, foi utilizada
uma média de valores. Ver Anexo A5 e A6 para mais detalhes quanto às
incertezas.
0,67 0,96 0,74
1,99 1,84
0,84
1,55
2,45
3,00 3,30
5,25
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
FER Microalgas C0 Microalgas C1 Microalgas C2 Microalgas C3
Microalgas C4 Diesel Colza Mamona
57
Os cenários em que não houve a integração com a produção de álcool
(C0, C1 e C2) apresentaram valores absolutos abaixo de 1,00. Isso se deve à
estes cenários apresentarem uma demanda por energia fóssil superior ao total
de energia produzida pelo sistema.
Os cenários em que houve a integração com a destilaria de álcool (C3 e
C4) apresentaram melhorias consideráveis, em comparação ao cenário C0. O
cenário C3 (integração + pirólise) e o cenário C4 (integração + biodigestão)
apresentaram melhorias na FER de 197,7% e 178,9%, respectivamente, com
relação ao cenário C0.
A partir da comparação dos resultados alcançados neste estudo com os
resultados dos principais biocombustíveis da primeira geração (Figura 17) nota-
se o potencial da integração do cultivo de microalgas com a produção de etanol,
através do aproveitamento de coprodutos, minimizando impactos negativos e
potencializando os impactos positivos dos dois sistemas produtivos. A integração
com a destilaria de álcool elevou a FER do biodiesel de microalgas de valores
abaixo de 1,0, para valores próximo de 2,0 (C3 e C4), fazendo com que o
biodiesel de microalgas deixe de ser um biocombustível com uma FER muito
inferior às dos demais biocombustíveis do tipo diesel (colza, dendê, diesel,
girassol, óleo e gordura residual e soja) e, passe a ser um biocombustível com
uma FER superior a colza e próxima dos valores obtidos para o biodiesel de
mamona.
58
CAPÍTULO 4:
PEGADA DE CARBONO
4.1. Mudanças Climáticas e Pegada de Carbono
Os setores produtivos da economia mundial dependem de matrizes
energéticas baseadas em fontes fósseis (carvão, gás natural, petróleo e seus
derivados), nucleares e hidroelétricas. Entretanto, tais fontes apresentam
algumas limitações por serem escassas e não-renováveis ou, por se limitarem
geograficamente à regiões hidrologicamente ricas.
Diante das previsões de queda na produção e disponibilidade de petróleo,
baseadas no crescente aumento mundial por demanda energética, aonde o
petróleo destaca-se como a maior e mais importante matéria-prima de energia e
insumos (combustíveis, materiais e produtos químicos), o desenvolvimento e a
disponibilidade de outras tecnologias e fontes alternativas ao petróleo, serão
fatores decisivos para o desenvolvimento e, até mesmo, a manutenção da
economia global. Em princípio, outras fontes fósseis já utilizadas paralelamente
ao petróleo, e com reservas maiores, despontam gradativamente como os seus
potenciais substitutos. No entanto, essas outras fontes apresentam algumas
limitações e problemas, por serem de difícil manipulação e transformação em
matérias-primas. Além disso, também emitem gases durante sua transformação
e/ou queima em motores, prolongando assim, o grande problema ambiental da
atualidade: a emissão de gases estufa inerentes às atividades antrópicas
(FERNANDO et al., 2006).
O efeito estufa é um fenômeno natural, identificado no século XIX pelo
cientista francês Jean Fournier, responsável por manter a temperatura média do
planeta nos níveis ideais para a existência e manutenção da vida (SANTOS,
2001). Em 1896 o químico sueco Svante Arrhenius alertou para os possíveis
impactos ambientais resultantes do aumento da quantidade de gases estufa na
atmosfera. Segundo Arrhenius, a temperatura do planeta poderia sofrer um
aumento gradativo, caso o teor desses gases se elevasse (ARRHENIUS, 1896).
O Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC)
desenvolveu um modelo de normalização para os gases contribuintes com o
59
efeito estufa. Esse modelo propõe o uso de uma unidade única de medição, um
fator chamado de Global Warming Potential – GWP (Potencial de Aquecimento
Global – PAG). Este fator baseia-se no impacto que o gás provoca na atmosfera
terrestre (alteração da quantidade de calor armazenado no planeta). Este fator
baseia-se no impacto do gás Dióxido de Carbono (CO2), que possui um fator
PAG igual à 1. Por causa dessa associação, esse fator recebeu como unidade o
CO2 equivalente (CO2-eq). Dessa forma, todos os gases impactantes ao
aquecimento global são normalizados com relação ao fator de emissão do
dióxido de carbono (IPCC, 2007).
Os GEE possuem diferentes níveis de intensidade no aquecimento
causado, sendo estes níveis calculados sobre a referência do potencial de
emissão do CO2, conforme a Tabela 10 abaixo:
Tabela 10 - Principais GEE com suas respectivas fontes antrópicas, fatores de emissão
(CO2-eq) e contribuição relativa para o aquecimento global.
GEE FONTES ANTROPOGÊNICAS
PAG
(IPCC 100a) CONTRIBUIÇÃO PARA O
AQUECIMENTO GLOBAL SAR
(IPCC, 1996) AR4
(IPCC, 2007)
Dióxido de Carbono
(CO2)
Queima de combustíveis fósseis;
Desmatamento;
Mudanças no uso da terra.
1 1 76,7%
Metano
(CH4)
Queima de combustíveis fósseis;
Queima de biomassa;
Vazamentos de gás natural;
Cultivo agrícola (arroz);
Pecuária (gado).
21 25 14,3%
Ácido Nitroso
(N2O)
Queima de combustíveis fósseis;
Queima de biomassa;
Fertilizantes;
Mudança no uso da terra para fins
agrícolas.
310 298 7,9%
Ácido Nitroso
(N2O)
Queima de combustíveis fósseis;
Queima de biomassa;
Fertilizantes;
Mudança no uso da terra para fins
agrícolas.
310 298 7,9%
Clorofluorcarbono CFC
Fluídos refrigerantes (freon, etc); Aerossóis e propelentes;
Processamento de espuma plástica para embalagens.
3,8 – 5,3 4,7 – 9,9 1,1%
Fonte: SANTOS, 2001; LEMOS, 2010; CETESB, 2011.
60
Com o tema “Mudanças Climáticas” em destaque nas agendas políticas
mundo afora, o termo “Pegada de Carbono” acabou tornando-se popular nos
últimos anos, tendo sua utilização bastante generalizada, entretanto, ainda há
uma certa confusão quanto ao seu real significado. O termo “Pegada de
Carbono” deriva de “Pegada Ecológica” (WACKERNAGEL, 1996), e possui
como essência a quantificação das emissões diretas e indiretas de gases
relevantes à mudança climática e, que estejam associadas às atividades
antrópicas (WIEDMANN e MINX, 2007),
As emissões de gases do efeito estufa (GEE) de um produto, ou
simplesmente pegada de carbono (carbon footprint), estão relacionadas
principalmente às emissões diretas oriundas de processos de queima de
combustíveis fósseis, emissões fugitivas de processos industriais e emissões
indiretas relacionadas ao ciclo de vida dos materiais e energia utilizados no
processo (SANTOS, 2001; IPCC, 2007; CETESB, 2011).
Os resultados das emissões dos cinco cenários analisados (C0, C1, C2,
C3 e C4) tiveram duas abordagens de análise: a primeira avaliou o impacto do
aproveitamento da biomassa residual (torta), e a segunda, o impacto da
integração com a destilaria de álcool na pegada de carbono do sistema de
produção de biodiesel de microalgas. Foram avaliados ainda, os impactos por
processo unitário (visando analisar qual fase de produção apresenta as maiores
emissões) e, os impactos por produto produzido (visando avaliar a contribuição
de cada produto, biodiesel e coprodutos, no impacto total do sistema).
61
4.1.1. Aproveitamento da biomassa residual (torta)
Esta primeira abordagem analisa o impacto do aproveitamento energético
da biomassa residual resultante do processo de extração do óleo, também
conhecida como “torta”.
Nesta análise foram considerados apenas os três cenários sem a
integração com a destilaria de álcool de cana-de-açúcar, ou seja, os cenários C0
(sem aproveitamento energético da torta), C1 (aproveitamento energético da
torta via processo de pirólise) e C2 (aproveitamento energético da torta via
processo de biodigestão anaeróbica), como pode ser visualizado na Figura 18.
Figura 18 - Comparação das emissões de GEE (t de CO2-eq), por tonelada de biodiesel
produzido, dos cenários C0, C1 e C2 (IPCC 100a).
Na Figura 18, é possível verificar que o aproveitamento influencia muito
pouco as emissões de CO2-eq / t de biodiesel produzido. O uso da pirólise como
forma de aproveitamento energético da torta (cenário C1), trouxe um aumento
de aproximadamente 6% nas emissões de GEE por tonelada de biodiesel
produzido. Já o cenário de aproveitamento via biodigestão anaeróbica, trouxe
uma ligeira redução de 3% nas emissões por tonelada de biodiesel (Anexo A7).
Entretanto, é importante levar em consideração o ponto de vista
energético (Anexo A8), tendo em vista que os cenários analisados visam a
produção de combustível. A produção de 1,0 tonelada de biodiesel de
5,57 5,89
5,38
0,00
1,50
3,00
4,50
6,00
7,50
t C
O2-e
q / t
de
bio
die
se
l
Cenário C0
Cenário C1
Cenário C2
62
microalgas gera no processo de extração de óleo 1,35 toneladas de torta
(contendo 23,63 GJ) que, não são aproveitados no cenário C0. A biomassa
residual é energeticamente muito valiosa, podendo ainda ser utilizada como
matéria prima para produzir produtos energeticamente ainda mais valiosos. A
análise sob o ponto de vista da energia produzida pelo sistema influência na
comparação entre os cenários, fazendo com que o cenário que mais emite GEE
por tonelada de biodiesel produzido (C1) passe a ser a ser o cenário que menos
emite GEE por GJ produzido, como pode ser observado na Figura 19.
Figura 19 - Comparação das emissões de GEE (t de CO2-eq), por GJ produzido, dos
cenários C0, C1 e C2 (IPCC 100a).
O reaproveitamento da energia contida na torta proporciona um ganho
energético ao sistema. No caso do cenário C1, onde o processo de pirólise é
considerado, são gerados como saída, mais três produtos com valor energético:
o gás e o óleo de pirólise, além do biochar (carvão). Somando o poder calorífico
destes coprodutos (ver anexo A9), o cenário C1 apresenta um ganho energético,
em comparação com o cenário sem aproveitamento da torta, de 22,24 GJ por
tonelada de biodiesel. Já o cenário C2, proporciona através do coproduto
biogás, uma geração extra de 11,83 GJ por tonelada de biodiesel produzido. Tal
ganho impacta na redução das emissões de GEE por unidade de energia
produzida, fazendo com que o cenário C1 apresente os menores valores de
emissões de GEE por GJ produzido (biodiesel e coprodutos), com emissões
0,144
0,096
0,135
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0,160
0,180
0,200
t C
O2
-eq
/ G
J
Cenário C0
Cenário C1
Cenário C2
63
33% menores do que o cenário C0. Já o cenário C2, conseguiu uma redução
mais modesta, na ordem de 6% em relação a C0.
4.1.2. Integração com a destilaria de álcool de cana-de-açúcar
Esta segunda abordagem analisou o impacto da integração da produção
de biodiesel de microalgas com uma destilaria de álcool de cana-de-açúcar,
considerando como interface desta integração o aproveitamento de coprodutos
dos seguintes coprodutos na produção de biodiesel: CO2, vinhaça (fonte de
NPK) e eletricidade (cogeração).
Para esta análise foram considerados todos os cenários com
aproveitamento energético da torta, sendo comparados os sistemas sem
integração (C1 e C2) com os sistemas onde houve a integração (C3 e C4)
(Figura 20). Como o objetivo foi analisar somente o impacto da integração (C1 x
C3 e C2 x C4), foi considerada apenas as emissões por unidade de energia
produzida (com alocação energética), isto é, t CO2-eq / GJ.
Figura 20 - Comparação das emissões de GEE por GJ produzido, para os cenários C1,
C2, C3 e C4 (IPCC 100a).
Os resultados confirmam o potencial de sinergia benéfica na redução da
pegada de carbono de todo o processo de produção do biodiesel de microalgas,
com a integração entre os dois sistemas de produção (álcool e biodiesel). As
reduções nas emissões de GEE dos dois cenários em que ocorreu o uso dos
0,096
0,009
0,135
0,002 0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0,160
t C
O2-e
q/ G
J
Cenário C1
Cenário C3
Cenário C2
Cenário C4
64
coprodutos da destilaria como insumos da produção de biodiesel de microalgas
foram consideráveis.
Analisando os cenários C1 (produção de biodiesel de forma isolada) e C3
(produção de biodiesel integrado à destilaria), que têm a pirólise como processo
de aproveitamento energético da torta (biomassa residual), é possível observar
que o uso dos coprodutos (cenário C3) gerou uma redução em torno de 90%,
em comparação ao sistema que não utilizou os coprodutos da destilaria de
álcool (cenário C1). Já considerando os cenários C2 e C4, que têm a biodigestão
como forma de aproveitamento da biomassa residual, a redução nas emissões
de GEE por MJ produzido, foi de aproximadamente 98%.
4.1.3. Fases de produção do biodiesel de microalgas
Foram avaliados ainda os impactos por processo unitário, visando
analisar o maior gargalo quanto às emissões de GEE entre os sistemas de
produto do sistema (berço ao portão): cultivo de microalgas, colheita
(floculação), secagem (centrifugação, secagem térmica e secagem mecânica),
extração do óleo, transesterificação, reciclagem da água e aproveitamento da
torta (pirólise ou biodigestão anaeróbica), conforme pode ser observado na
Figura 21. Foram considerados todos os cinco cenários estudados (C0, C1, C2,
C3 e C4), bem como alocação energética para as emissões de GEE (t CO2-eq /
GJ).
65
Figura 21 - Comparação das emissões relativas de GEE por processo unitário,
considerando a alocação energética (t CO2-eq / GJ), para os cenários C0,
C1, C2, C3 e C4.
Analisando os cenários sem a integração com a destilaria, percebe-se
que a fase agrícola do sistema, especialmente o processo de cultivo de
microalgas, apresentou as maiores emissões de GEE. Para os cenários C0, C1
e C2, o processo de “Cultivo” concentrou o maior percentual da pegada de
carbono, com 62%, 59% e 61%, respectivamente. Em seguida, aparece o
processo de “Floculação” (colheita), com 27%, 26% e 28%. Os processos de
“Extração do óleo” e “Transesterificação” contribuíram, respectivamente, com
3%, 2% e 5% para os cenários C0, C1 e C2. O processo de “Pirólise”, existente
apenas no cenário C1, apresentou uma contribuição de 5% do total de emissões
do cenário. Já o processo de “Biodigestão anaeróbica”, existente apenas no
cenário C2, apresentou relativamente uma baixa contribuição, de apenas 0,26%
do total de emissões de C2. O processo de “Reciclagem da água” aparece como
um caso particular entre os demais processos unitários. Para os três cenários,
C0, C1 e C2, o processo de “Reciclagem da água” apresentou uma pegada
negativa, isto é, evitou emissões de GEE. Ao reaproveitar um insumo, no caso a
água, que é demandado em grande quantidade na fase agrícola de produção do
-40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100%
C0
C1
C2
C3
C4
Cultivo Floculação Secagem
Extração do óleo Transesterificação Reciclagem da água
Pirólise Digestão anaeróbica
Emissões realizadas Emissões evitadas
66
biodiesel de microalgas, a “Reciclagem da água” reduziu em 13% a pegada de
carbono final do sistema.
Para C3 e C4 (cenários com integração com a destilaria de álcool), as
tendências se alteram um pouco. Nestes dois cenários o uso dos coprodutos
CO2, vinhaça e eletricidade provenientes da destilaria de álcool diminuem
drasticamente as emissões de GEE do sistema. O “Cultivo” apresentou créditos
de CO2-eq, evitando que mais 34,9% e 50,2% gases do efeito estufa fossem
emitidos pelo sistema, respectivamente. O processo de “Floculação” apareceu
como o de maior pegada, com 69,3% das emissões de GEE para C3 e 78% para
C4. A “Secagem” apresentou créditos, evitando que mais 1,3% e 1,5% de GEE
fossem emitidos por C3 e C4, respectivamente. O processo de “Extração do
óleo” apresentou emissões de 5,5% no cenário C3 e 6,2% no cenário C4. Já o
processo de “Transesterificação” emitiu nos cenários C3 e C4 13,4% e 15,1%,
respectivamente. O processo de “Reciclagem” da água obteve créditos, evitando
que 40% a mais de GEE fossem emitidos no cenário C3 e 45,1% no cenário C4.
O processo de “Pirólise”, existente apenas no cenário C3, apresentou uma
contribuição de 11,9% do total de emissões de GEE do cenário. Já o processo
de “Biodigestão anaeróbica”, existente apenas no cenário C4, apresentou uma
contribuição de apenas 0,7% no total de gases do efeito estufa emitidos pelo
cenário (ver Anexos A10 e A11).
A participação de cada processo nas emissões totais de cada cenário
pode ser mais bem entendida através da análise da Tabela 11 abaixo:
Tabela 11 – Comparação da Pegada de Carbono, em tonelada de CO2-eq por tonelada
de biodiesel, do CO2, eletricidade e NPK provenientes de fontes
convencionais e como coprodutos da destilaria de álcool.
t CO2-eq / t de biodiesel
CO2 ELETRICIDADE NUTRIENTES (NPK)
Fonte convencional* 2,362 0,562 0,431
Destilaria** -0,005 -0,066 0,001
* Valores obtidos através dos materiais utilizados convencionalmente (cenários C0, C1 e C2): CO2
líquido industrializado, eletricidade da rede e fertilizantes químicos (desconsiderando o transporte).
** Valores obtidos através dos materiais provenientes da destilaria de álcool de cana-de-açúcar
(cenários C3 e C4): CO2 da fermentação, eletricidade gerada através do bagaço e vinhaça.
67
Na Tabela 11, é possível visualizar a contribuição do uso dos coprodutos
da destilaria de álcool de cana-de-açúcar, de forma específica, para o processo
de produção de biodiesel de microalgas. Analisando apenas a redução relativa
na pegada de carbono de cada um dos insumos, sem e com integração, é
possível ver que a eletricidade apresentou a maior redução (111,68%), seguida
pelo CO2 (100,22%) e pelos nutrientes NPK (98,80%). Entretanto, analisando a
redução absoluta nas emissões de GEE por tonelada de biodiesel produzido, o
insumo CO2 apresenta-se como o maior beneficiário da integração, haja vista
que dentre as 3 entradas consideradas, o CO2 industrializado (convencional) é o
insumo que mais emitiu GEE no sistema. Isso explica a maior contribuição do
processo “Cultivo” na pegada de carbono total dos sistemas sem integração
(cenários C0, C1 e C2), e a redução considerável da pegada de carbono após a
integração. Os valores da pegada de carbono de cada material encontram-se no
Anexo A4.
4.1.4. Biodiesel de microalgas e seus coprodutos
A análise sobre o impacto relativo dos produtos gerados em cada um dos
cenários considerou tanto a alocação mássica quanto a energética. A Figura 22
mostra o peso das emissões alocadas tanto para o biodiesel quanto para os
demais coprodutos gerados, por tonelada de biodiesel produzido (para mais
detalhes ver Anexo A7).
68
Figura 22 - Comparação das emissões relativas de GEE por produto, considerando a
alocação mássica (kg CO2-eq / kg de biodiesel), para os cenários C0, C1,
C2, C3 e C4 (IPCC 100a).
O cenário C0 apresentou-se como uma exceção, haja vista que a
biomassa residual (torta) não aproveitada apresentou o maior impacto (56,2%),
enquanto o biodiesel e glicerina ficaram 41,7% e 2,1%, respectivamente, do total
das emissões de todo o sistema. Nos demais cenários é possível observar que o
biodiesel como o produto de maior pegada de carbono (o que se justifica pelo
maior quantidade mássica produzida). Os cenários C1 e C3, C2 e C4
apresentaram, em termos percentuais, resultados iguais, haja vista que estes
cenários são idênticos, alterando-se apenas a proveniência, e
consequentemente os impactos, dos insumos CO2, NPK e eletricidade
(destilaria).
A participação nas emissões de GEE nos cenários com aproveitamento
da torta via processo de pirólise (C1 e C3) foram:
Biodiesel (produto principal): 42%;
Glicerina: 2%;
Óleo de pirólise: 40%;
Gás de pirólise: 8%;
Biochar: 8%.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
C0 C1 C2 C3 C4
Pegada de carbono (Alocação mássica)
Biodiesel Glicerina Biomassa Residual
Óleo De Pirólise Gás De Pirólise Biochar
Biogás
69
Já os cenários com aproveitamento da torta por meio da biodigestão
anaeróbica (C2 e C4), a participação foi:
Biodiesel (produto principal): 94%;
Glicerina: 4%;
Biogás: 2%.
Já se a análise se dá sob o ponto de vista da alocação energética (ver
Anexo A8), a distribuição percentual das emissões sofre pequenas modificações,
com o biodiesel aumentando sua pegada de carbono, em relação à alocação
mássica, como pode ser observado na Figura 23.
Figura 23 - Comparação das emissões relativas de GEE por produto, considerando a
alocação energética (kg CO2-eq / MJ), para os cenários C0, C1, C2, C3
e C4 (IPCC 100a).
Considerando a alocação energética, o cenário C0 apresentou o
biodiesel com um percentual de aproximadamente 61% do total das emissões,
enquanto que a glicerina ficou com 2% e a biomassa residual com 37%
aproximadamente.
Assim como no caso da alocação mássica, os cenários C1 e C3, C2 e C4
apresentaram resultados iguais entre si. Os cenários C1 e C3 (pirólise)
obtiveram, aproximadamente, uma pegada de 63% para o biodiesel, 3% para a
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Cenário C0 Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3 Cenário C4
Pegada de Carbono (Alocação energética)
Biodiesel Glicerina Biomassa Residual
Óleo de Pirólise Gás de Pirólise Biochar
Biogás
70
glicerina, 22% para o óleo de pirólise, 5% para o gás de pirólise e 7% para o
biochar. Já os outros dois cenários (C2 e C4) apresentaram, aproximadamente,
resultados de 95% da pegada alocada para o biodiesel, 2% para a glicerina e
3% para o biogás.
4.1.5. Pegada de carbono: Microalgas X concorrentes
Comparando os resultados do biodiesel de microalgas obtidos neste
trabalho com as pegadas de carbono dos combustíveis concorrentes, é possível
confirmar (Figura 24) a importância do aproveitamento da biomassa residual,
bem como a integração da biorefinaria de produção de biodiesel de microalgas
com outra biorefinaria, visando a otimização no aproveitamento dos insumos
materiais e energéticos.
Figura 24 - Comparação das emissões de GEE do biodiesel produzido nos cenários
C0, C1, C2, C3 e C4 com outros biocombustíveis (biodiesel) e do diesel
fóssil (IPCC 100a). O coeficiente de variação foi estimado utilizando a
combinação Matriz Pedigree com a simulação Monte Carlo (1000
iterações; 95% de confiança). Ver Anexo A5 e A12 para ais detalhes
quanto as incertezas.
Analisando-se comparativamente todos os cinco cenários, nota-se o
potencial de redução nas emissões de GEE da produção de biodiesel de
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
t C
O2
-eq
/ G
J
Microalgas C0
Microalgas C1
Microalgas C2
Microalgas C3
Microalgas C4
Diesel
Dendê
Girassol
Óleo residual
Soja
Colza
71
microalgas, quando este processo for integrado a uma destilaria de álcool de
cana-de-açúcar. Os cenários da integração, C3 e C4, indicam reduções nas
emissões de GEE superiores a 90%, quando comparados ao cenário C0.
Reduções que são explicadas pela troca da matriz energética e, pela redução no
uso de fertilizantes químicos, enquanto C3 reduziu o uso em 41,3% de N,
10,34% de P e 100% de K, o cenário C4 reduziu em 100% a necessidade de
nutrientes químicos externos.
Os resultados dos cenários sem integração com os coprodutos da
produção de álcool de cana-de-açúcar (C0, C1 e C2) apresentaram valores
piores do que os demais biocombustíveis concorrentes do tipo diesel, os
cenários com o uso dos coprodutos da destilaria de álcool (C3 e C4) obtiveram
emissões muito abaixo dos demais concorrentes, inferiores, inclusive, às
emissões do diesel fóssil. Vale ressaltar que o diesel fóssil é o combustível a ser
substituído, sendo assim, para a viabilidade ambiental de um biocombustível,
sua pegada de carbono deve se aproximar, e de forma desejável ser menor, do
que a pegada de carbono do diesel fóssil.
72
CAPÍTULO 5: CONSIDERAÇÕES FINAIS
A produção de biodiesel a partir de microalgas é uma tecnologia emergente
e bastante promissora, principalmente por não competir por terras agrícolas.
Entretanto, avaliações sobre os impactos ambientais e, sobre o balanço
energético, apontam que o biodiesel de microalgas ainda apresenta limitações
para sua produção, de forma isolada, em larga escala. Por razões econômicas e
ambientais, a reciclagem e o reaproveitamento de nutrientes devem ser levados
em consideração no cultivo de microalgas para a produção de biodiesel. A
utilização dos princípios da Avaliação do Ciclo de Vida pode contribuir na análise
de melhorias dos processos e, redução dos impactos negativos, através da
identificação das alternativas tecnológicas mais adequadas.
Neste trabalho, o uso dos princípios da ACV possibilitou uma avaliação e
comparação das emissões dos GEE (pegada de carbono), bem como do
balanço energético (energia líquida e relação de substituição de energia fóssil),
da integração dos processos produtivos de biocombustíveis (álcool e biodiesel)
com duas rotas alternativas de aproveitamento da biomassa residual (pirólise e
biodigestão anaeróbica).
Analisando-se os cinco cenários, nota-se o potencial de redução nas
emissões de GEE da produção de biodiesel de microalgas, quando este
processo for integrado a uma destilaria de álcool de cana-de-açúcar. Os
cenários da integração, C3 e C4, indicam reduções nas emissões de GEE
superiores à 90%, quando comparados ao cenário C0 (pior caso). Reduções que
são justificadas pela troca da matriz energética e, pela redução no uso de
fertilizantes químicos, enquanto C3 reduziu o uso em 41,3% de N, 10,3% de P e
100% de K, o cenário C4 reduziu em 100% a necessidade de entrada externa de
todos os nutrientes utilizados na produção quando comparados ao cenário C0.
Essa redução na demanda por nutrientes químicos (NPK), resultante da
integração entre os processos de produção de biodiesel e de álcool, também
contribuiu para a melhoria energética do sistema, tanto na relação PCIsistema –
CED (energia líquida) quanto na FER (PCIsistema / CED fóssil).
O reaproveitamento energético da torta resultante do processo de extração
do óleo contido na biomassa microalgal, via processo de pirólise, foi o que
73
apresentou, em valores absolutos, o melhor resultado em comparação com o
reaproveitamento via biodigestão anaeróbica. Entretanto, os coeficientes de
variação calculados, fazem com que os sistemas com pirólise e biodigestão não
tenham diferenças estatisticamente significativas, tanto para emissões de GEE
quanto para o balanço energético. É importante ressaltar que no caso das
emissões de GEE, o processo de pirólise apresentou vantagens estatisticamente
relevantes.
Todavia, mesmo considerando esta ligeira vantagem do processo de pirólise
como método de reaproveitamento energético da torta, através da geração de
mais coprodutos de valor energético, a redução no uso (e até eliminação) dos
nutrientes químicos nos cenários que utilizam a biodigestão anaeróbica como
método de reaproveitamento energético da torta (C3 e C4) pode ter impactos
positivos sobre outros aspectos ambientais.
De forma geral, em números absolutos a substituição do CO2 convencional
pelo CO2 residual da destilaria de álcool foi a que produziu mais impactos
positivos na produção de biodiesel de microalgas, em comparação à eletricidade
advinda do bagaço (tendo em vista que no caso do Brasil, a matriz energética já
possui uma concentração elevada de energia renovável, principalmente
hidrelétrica). Entretanto, é importante ressaltar que os impactos unitários dos
nutrientes NPK (tanto na demanda por energia quanto nas emissões de GEE)
são os mais elevados, o que torna a utilização da vinhaça muito importante para
a sustentabilidade ambiental do biodiesel de microalgas.
Estes resultados justificam o aprofundamento no estudo desta proposta
conceitual de integração entre os sistemas, através do aprofundamento do
conceito de integração entre os sistemas, da melhoria da qualidade dos dados e
da ampliação da análise para outros aspectos e categorias de impacto
ambiental.
Outros aspectos importantes de serem considerados nos próximos estudos
referem-se ao aprofundamento da análise de métodos mais eficientes de
secagem da biomassa, visando a redução do consumo energético nesta fase,
além da busca por melhores rotas para reciclagem dos nutrientes da biomassa
residual.
74
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80
ANEXOS
81
A1 – Matriz Pedigree.
82
A2 – Incerteza básica.
ENTRADAS / SAÍDAS (POR GRUPO) UB
DEMANDA DE
Energia térmica 1,05
Eletricidade 1,05
Produtos semi-prontos 1,05
Materiais de trabalho 1,05
Serviços de transporte 2,00
Serviços de tratamento de resíduos 1,05
Infraestrutura 3,00
RECURSOS
Portadores de energia primária 1,05
Metais, sais 1,05
Ocupação, uso da terra 1,50
Transformação, uso da terra 1,05
RESÍDUOS DE CALOR
Emissão para o ar, água e solo 1,05
EMISSÕES PARA A ÁGUA
BOD, COD, DOC, TOC 1,50
Compostos inorgânicos (NH4, PO4, NO3, Cl, Na, etc.) 1,50
Hidrocarbonetos individuais, PAH 3,00
Metais pesados 5,00
Proveniente da agricultura: NO3, PO4 1,50
Proveniente da agricultura: metais pesados 1,80
Proveniente da agricultura: pesticidas 1,50
Radionuclídeos 3,00
ENTRADAS / SAÍDAS (POR GRUPO) UB
EMISSÕES PARA O AR
CO2 1,05
SO2 1,05
Combustão: NOX, NMVOC total, metano, N2O e NH3 1,50
Combustão: CO 5,00
Combustão: Hidrocarbonetos individuais, TSM 1,50
Combustão: PM10 2,00
Combustão: PM2,5 3,00
Combustão: PAH 3,00
Combustão: Metais pesados 5,00
Emissões de processos: VOCs individuais 2,00
Emissões de processos: CO2 1,05
Emissões de processos: TSM 1,50
Emissões de processos: PM10 2,00
Emissões de processos: PM2,5 3,00
Proveniente da agricultura: CH4, NH3 1,20
Proveniente da agricultura: N2O, NOx 1,40
Radionuclídeos (ex.: Radônio 222) 3,00
Emissões de processos: outras emissões inorgânicas 1,50
EMISSÕES PARA O SOLO
Óleo, hidrocarbonetos 1,50
Pesticidas 1,20
Metais pesados 1,50
Radionuclídeos 3,00
83
A3 – Demanda Acumulada de Energia (CED), em GJ, por fonte de energia.
FONTE ENERGÉTICA CENÁRIO C0 CENÁRIO C1 CENÁRIO C2 CENÁRIO C3 CENÁRIO C4 UNIDADE
Fóssil 58.06 63.48 54.18 30.77 21.64 GJ
Nuclear 9.58 9.70 9.51 2.52 2.36 GJ
Biomassa 1.96 2.00 1.94 18.11 17.03 GJ
Eólica, solar, geotérmica 0.14 0.14 0.14 0.03 0.03 GJ
Hidrelétrica 14.14 14.98 14.12 2.38 2.18 GJ
TOTAL 83.89 90.30 79.89 53.82 43.24 GJ
84
A4 - Relação entre as entradas do Inventário do Ciclo de Vida (ICV), materiais do banco de dados Ecoinvent 2.0 utilizado, e os respectivos valores referentes às emissões de GEE (kg CO2-eq) e CED (MJ) por unidade de produto.
ENTRADA Material utilizado no ECOINVENT 2.0 GEE kg CO2-eq / unid.
CED MJ / unidade
Unidade
CO2 (destilaria) 7,41% o impacto da vinhaça (calculado por Cavallet et al., 2012) -0.002 0.00 kg
Biogás biogas, from biowaste, at storage [CH] -1.408 2.52 m3
CO2 carbon dioxide liquid, at plant [RER] 0.838 11.34 kg
Floculante sintético Desprezado (entrada pequena: 0,5 g / m3) - - kg
Eletricidade (destilaria) electricity, bagasse, sugarcane, at sugar refinery [BR] -0.015 3.46 kwh
Eletricidade eletricity mix [BR] 0.127 4.81 kwh
Glicerina glycerine, from soybean oil, at esterification plant [BR] -0.211 45.85 kg
Hexano hexane, at plant [RER] 0.919 61.65 kg
Ácido Clorídrico hydrochloric acid, 30% in H2O, at plant [RER] 0.892 18.23 kg
Cal lime, hydrated, packed, at plant [CH] 0.761 4.79 kg
Metanol methanol, at regional storage [CH] 0.800 38.46 kg
Calor natural gas, burned in industrial furnace >100kW [RER] 0.068 1.20 MJ
Potássio (K) potassium nitrate, as K2O, at regional storehouse [RER] 0.922 16.56 kg
Esterco poultry manure, dried, at regional storehouse [CH] 0.106 2.53 kg
Hidróxido de Sódio sodium hydroxide, 50% in H2O, production mix, at plant [RER] 1.123 23.30 kg
Metóxido de Sódio sodium methoxide, at plant [GLO] 4.894 111.11 kg
Água tap water, at user [CH] 0.0003 0.01 kg
Fósforo (P) triple superphosphate, as P2O5, at regional storehouse [RER] 2.064 34.68 kg
Nitrogênio (N) urea, as N, at regional storehouse/RER 3.377 67.57 kg
Vinhaça (destilaria) vinasse, at fermentation plant [CH] 0.010 0.00 kg
85
A5 – Vetores Pedigree, Vetores Resultados, Incertezas Básicas e Desvios
Padrões das entradas utilizadas nos cinco cenários estudados.
Entradas Vetor
Pedigree Vetor Resultado UB DP
CULTIVO Água nova (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 Água reciclada (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 Bombeamento (água)* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Pás giratórias (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 CO2 (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 Bombeamento (CO2)* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Vinhaça (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 Substrato Biodigerido (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 N (3,3,2,3,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,165 P (3,3,2,3,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,165 K (3,3,2,3,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,165 Transporte (N) (3,4,1,1,3,4) (1,10 ; 1,10 ; 1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,10) 2,00 2,119 Transporte (P) (3,4,1,1,3,4) (1,10 ; 1,10 ; 1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,10) 2,00 2,119 Transporte (K) (3,4,1,1,3,4) (1,10 ; 1,10 ; 1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,10) 2,00 2,119
FLOCULAÇÃO Bombeamento* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Cal (3,3,2,3,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,165 Floculante sintético (3,3,2,3,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,165
SECAGEM Centrífuga* (2,2,1,2,3,4) (1,10 ; 1,05 ; 1,03 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Secador mecânico* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Secador térmico* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154
RECICLAGEM DA ÁGUA Bombeamento* (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Filtro de areia (3,5,1,3,4,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,369
EXTRAÇÃO Eletricidade (2,2,1,2,3,4) (1,10 ; 1,20 ; 1,00 ; 1,02 ; 1,50 ; 1,10) 1,05 1,154 Calor (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Hexano (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154
TRANS-ESTERIFICAÇÃO Eletricidade (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Calor (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154 Metanol (1,1,4,3,4,2) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,285 Hidróxido de Sódio (1,1,4,3,4,2) (1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,02 ; 1,50 ; 1,02) 1,05 1,285 Metóxido de Sódio (1,1,4,3,4,2) (1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,02 ; 1,50 ; 1,02) 1,05 1,285 Ácido Clorídrico (1,1,4,3,4,2) (1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,02 ; 1,50 ; 1,02) 1,05 1,285
PIRÓLISE Eletricidade (2,2,1,2,3,4) (1,00 ; 1,00 ; 1,20 ; 1,02 ; 1,50 ; 1,02) 1,05 1,154 Calor (2,2,1,2,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,154
BIODIGESTÃO Esterco (3,4,1,3,3,4) (1,05 ; 1,02 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,172 Eletricidade (2,3,1,2,3,4) (1,10 ; 1,10 ; 1,00 ; 1,02 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156 Calor (2,3,1,2,3,4) (1,05 ; 1,05 ; 1,00 ; 1,01 ; 1,20 ; 1,10) 1,05 1,156
86
A6 – Comparação entre as Relações de Substituições de Energia Fóssil (FER), e suas respectivas incertezas, dos 5 cenários de
produção de biodiesel de microalgas e outros combustíveis do tipo diesel concorrentes.
Combustível FER MIN MAX Microalgas C0 0.67 0.22 0.35 Microalgas C1 0.96 0.15 0.19 Microalgas C2 0.74 0.16 0.24 Microalgas C3 1.99 0.22 0.30 Microalgas C4 1.84 0.20 0.27
Colza1 1.55 0.35 0.35 Soja1 3.3 0.1 0.1
Mamona1 2.45 0.45 0.45 OGR1 5.25 0.25 0.25
Diesel1 0.84 0.01 0.01 Dendê1 3.00 0.58 0.58
1 Média Calculada (ALMEIDA NETO et al. 2004).
87
A7 - Emissões de GEE, alocação mássica, por produto.
kg CO2-eq / tonelada de biodiesel
CENÁRIOS
OUTPUT BIODIESEL GLICERINA BIOMASSA RESIDUAL ÓLEO DE PIRÓLISE GÁS DE PIRÓLISE BIOCHAR BIOGÁS
QTD
(tonelada) 1.00 0.05 1.35 0.95 0.20 0.20 0.03
Total
C0 5566.75 2319.48 115.97 3131.29 - - - -
C1 5891.58 2454.82 122.74 - 2332.08 490.96 490.96 -
C2 5376.88 5034.53 251.73 - - - - 90.62
C3 578.00 240.84 12.04 - 228.79 48.17 48.17 -
C4 69.32 64.91 3.25 - - - - 1.17
88
A8 – Emissões de GEE, alocação energética, por produto.
kg CO2-eq / MJ
Cenários
OUTPUT Biodiesel Glicerina Biomassa Residual Óleo De Pirólise Gás De Pirólise Biochar Biogás
QTD
(tonelada) 1.00 0.05 1.35 0.95 0.20 0.20 0.03
MJ/t biodiesel 37800.00 902.50 23625.00 15200.00 3000.00 4200.00 1182.86
Total
C0 0.1438 0.0614 0.1285 0.1325 - - - -
C1 0.0964 0.0649 0.1360 - 0.1534 0.1637 0.1169 -
C2 0.1348 0.1332 0.2789 - - - - 0.0766
C3 0.0095 0.0064 0.0133 - 0.0151 0.0161 0.0115 -
C4 0.0017 0.0017 0.0036 - - - - 0.0010
89
A9 - Poder Calorífico Inferior do biodiesel de microalgas e seus coprodutos.
PRODUTO PCI UNIDADE Biodiesel1 37,8 MJ/kg Glicerina2 18,05 MJ/kg Gás de pirólise2 15,00 MJ/kg Óleo de pirólise2 16,00 MJ/kg Biochar2 21,00 MJ/kg Biogás3 21,50 MJ/kg Biomassa (Chlorella vulgaris)4 17,50 MJ/kg 1 Lardon, 2009 2 Xu et al., 2011
3 Collet et al., 2011
4 Lardon, 2009
90
A10 - Emissões de GEE, alocação mássica, por processo.
kg CO2-eq / tonelada de biodiesel
CENÁRIO TOTAL Cultivo Floculação Secagem Extração do óleo Transesterificação Reciclagem da água Pirólise Biodigestão
C0 5566.75 4012.91 1736.69 187.04 155.54 339.92 -865.36 - -
C1 5891.58 4012.91 1736.69 187.04 155.54 339.92 -865.36 324.83 -
C2 5376.88 3766.80 1736.69 187.04 155.54 339.92 -865.36 - 15.97
C3 578.00 -846.85 1682.18 -32.26 132.80 325.43 -971.56 288.26 -
C4 69.32 -1082.73 1682.18 -32.26 132.80 325.43 -971.56 - 14.94
91
A11 - Emissões de GEE, alocação energética, por processo.
kg CO2-eq / MJ
CENÁRIO TOTAL Cultivo Floculação Secagem Extração do óleo Transesterificação Reciclagem da água Pirólise Biodigestão
C0 0.1438 8.97E-02 3.88E-02 4.18E-03 3.48E-03 7.60E-03 -1.94E-02 0.00 0.1438
C1 0.0964 5.73E-02 2.48E-02 2.67E-03 2.22E-03 4.85E-03 -1.23E-02 4.64E-03 0.0964
C2 0.1348 8.19E-02 3.77E-02 4.07E-03 3.38E-03 7.39E-03 -1.88E-02 0.00 0.1348
C3 0.0095 -3.30E-03 6.55E-03 -1.26E-04 5.17E-04 1.27E-03 -3.78E-03 1.12E-03 0.0095
C4 0.0017 -8.73E-04 1.36E-03 -2.60E-05 1.07E-04 2.62E-04 -7.83E-04 0.00 0.0017
92
A12 – Comparação entre as Emissões de GEE, e suas respectivas incertezas, dos 5 cenários de produção de biodiesel de
microalgas e outros combustíveis do tipo diesel concorrentes.
Combustível GEE
kg CO2 eq / MJ MIN MAX
Microalgas C0 0.1438 0.0224 0.0307 Microalgas C1 0.0964 0.0144 0.0028 Microalgas C2 0.1348 0.0219 0.0053 Microalgas C3 0.0095 0.0125 0.0166 Microalgas C4 0.0017 0.0037 0.0093
Colza1 0.0688 0.0208 0.0312 Dendê2 0.0264 0.0107 0.0107 Diesel3 0.0123 0.0011 0.0016
Girassol4 0.0341 0.0067 0.0067 Óleo residual5 0.0356 0.0256 0.0397
Soja6 0.0684 0.0284 0.0396 1 Média calculada (Biomass Energy Centre; Biofuels Plataform; Biograce); 2 Média calculada (Ecoinvent 2.0; Biograce); 3 Média calculada (Ecoinvent 2.0); 4 Média calculada (Biograce); 5 Média calculada (Biofuels Plataform; Biograce);
